Datenpakete: Funktionsweise, Aufbau und Wissenswertes

Datenpakete: Definition und Erklärung

In Kommunikations- und EDV-Netzwerken werden Informationen in Form von Datenpaketen übertragen – unabhängig davon, ob es sich dabei um Sprachdaten, Videodaten oder strukturierte Daten, wie z. B. in Tabellen oder Textdokumenten handelt.

Die beiden wichtigsten Übertragungsprotokolle sind IP- („Internet Protocol“) und TCP („Transmission Control Protocol“).

Das Internet-Protokoll IP ist für die Zustellung der Datenpakete an ihren Bestimmungsort verantwortlich. 

Das Übertragungsprotokoll TCP steuert die Übertragung der Daten und vergibt dabei fortlaufende IDs, sogenannte Sequenznummern. 

Große Datenmengen brauchen mehrere Pakete

Übertragungsprotokolle wie IP und TCP nutzen Paketgrößen, die sich jeweils nach der zugrundeliegenden Netzwerktechnologie richten. Im Ethernet beispielsweise beträgt die maximale Größe eines einzelnen Pakets 1518 Bytes.

Die sogenannte Maximum Transmission Unit (MTU) hingegen ist etwas kleiner, da für den Ethernet-Header (gewissermaßen das Adresslabel des Pakets) 18 Bytes reserviert sind. Hieraus folgt logischerweise, dass größere Datenmengen nicht in einem einzelnen Paket verschickt werden können. Deshalb werden die Daten in einzelne, kleinere Datenpakete aufgeteilt und nacheinander verschickt.

Sequenzierung von Datenpaketen

Dabei durchlaufen die Datenpakete verschiedene Knotenpunkte, an denen der optimale Weg für das Datenpaket neu bestimmt wird. Da unterwegs die ursprüngliche Reihenfolge nicht eingehalten werden muss, hat das Übertragungsprotokoll TCP außerdem die Aufgabe, die richtige Reihenfolge an Empfangsgeräten wie einer virtuellen Telefonanlage wiederherzustellen. Damit die Datenpakete in der richtigen Reihenfolge beim Empfänger zusammengesetzt werden können, enthält jedes Paket eine Sequenznummer.

Wie ist ein Datenpaket aufgebaut?

Ein Datenpaket setzt sich aus verschiedenen Informationsebenen zusammen, die jeweils spezifische Daten enthalten. Dazu zählen u. a.:

Praxisbeispiel E-Mail

Angenommen, Sie wollen eine E-Mail mit einer Präsentation im Anhang verschicken: Die E-Mail wird – wie nahezu alle anderen Daten im Internet auch – in viele kleine Pakete aufgeteilt. Diese enthalten spezifische Informationen zum Datenpaket, wie etwa den Header, die Nutzdaten (Payload, also das, was Sie eigentlich versenden wollen) oder den Trailer.

Der Header (Kopfteil) des Datenpakets enthält Informationen für die Übertragung und Zustellung der E-Mail. Dazu gehören die Absender- und Empfängeradresse, der Betreff sowie der Zeitstempel.

Die Nutzdaten (Payload) sind der eigentliche E-Mail-Inhalt im Datenpaket, also ein Teil des E-Mail-Textes oder der Präsentation. Der Begriff „Payload“ stammt übrigens von Frachtflugzeugen, bei denen die Fracht die eigentliche, bezahlte Nutzlast (Payload) des Flugzeugs, darstellt.

Der Trailer (Fußteil) wird in Datenpaketen zur Fehlerprüfung verwendet. Er soll gewährleisten, dass die Daten während der Übertragung unverändert bleiben und unbeschädigt übertragen werden. 

Während die Datenpakete mit der E-Mail das Netzwerk durchlaufen, navigieren sie mit den Informationen im Header zum Ziel. Am Ende empfängt das E-Mail-Programm des Empfängers die Datenpakete, extrahiert die Nutzdaten in der richtigen Reihenfolge und zeigt die E-Mail und die Präsentation so an, wie Sie sie versendet haben.

Unterschiede zwischen Datenpaketen vom Datenstrom

Datenpakete sind die grundlegenden Einheiten, die in Netzwerken übertragen werden, während ein Datenstrom den allgemeinen kontinuierlichen Fluss von Informationen bezeichnet. Laut dem Institut für Informatik der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) besteht ein Datenstrom im Gegensatz zu einem einzelnen Datenpaket aus kontinuierlich übertragenen Daten, die aufgrund ihrer Größe, Menge und der Geschwindigkeit oder Flüchtigkeit ihrer Übertragung vor der Verarbeitung nicht (sinnvoll) gespeichert werden können.

Echtzeitkommunikation braucht Datenströme

Aus diesem Grund spricht man bei Anwendungen, die auf Echtzeitkommunikation basieren, wie z. B. bei WLAN-Telefonie oder im Rahmen eines Digital Phone von Datenströmen.

Um sicherzugehen, dass Pakete schnell (genug) und sicher ans Ziel kommen, gibt es spezielle Mechanismen für Echtzeitübertragungen, wie z. B. Quality of Service-Informationen (QoS). Diese stellen sicher, dass bestimmte Datenpakete priorisiert und schnell übertragen werden, um eine bidirektionale und nahtlose Echtzeitkommunikation – beispielsweise bei Online-Meetings via Microsoft Teams – zu ermöglichen.

Der Unterschied liegt im Protokoll

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Datenstrom und einer herkömmlichen Datenübertragung besteht darin, dass Datenströme häufig über verbindungslose Netzwerke wie UDP (User Datagram Protocol) übertragen werden und keine Rückmeldung beim Absender erfolgt, ob ein Paket auch tatsächlich und intakt zugestellt wurde.

Im verbindungsorientierten TCP-Umfeld hingegen enthalten Datenpakete oft einen Trailer, der zur Fehlerprüfung verwendet wird. Dieser Trailer ermöglicht es, Fehler in den übertragenen Datenpaketen zu erkennen und gegebenenfalls Korrekturmaßnahmen (wie beispielsweise eine erneute Übertragung) einzuleiten, was es bei einem (reinen) Datenstrom so nicht immer gibt.

Praxisbeispiel Streaming

Ein weit verbreitetes, übergeordnetes Übertragungsprotokoll im Streaming-Bereich (Streaming bezeichnet ja im Grunde nichts anderes als die Übertragung von Datenströmen) ist beispielsweise RTSP (Realtime Streaming Protocol). Es sorgt dafür, dass die Übertragung eines Datenstroms wie gewünscht durchgeführt wird und beherrscht sowohl UDP als auch TCP.

Im ersten Fall (UDP) erfolgt die Übertragung mit Schwerpunkt auf Echtzeitaspekte und Performance (z. B. Streaming-Angebote), im zweiten (TCP) mit Fokus auf Vollständigkeit und Korrektheit (z. B. Videoüberwachung aus der Ferne mit Aufzeichnung).