Paketverlust (Netzwerk)

Was ist Paketverlust?

Paketverlust (Packet Loss) tritt auf, wenn ein oder mehrere übertragene Datenpakete nicht ihr Ziel erreichen. Dies kann bei allen Arten der digitalen Kommunikation zu spürbaren Leistungsproblemen führen.

Ein Paket ist eine kleine Dateneinheit, die ein Netzwerkprotokoll zwischen einer Quelle und einem Ziel im Internet oder einem anderen paketvermittelnden Netzwerk routet. Netzwerkpakete enthalten kleine Datenmengen, die typischerweise Informationen wie die Quell- und Zieladresse, Protokolle oder Identifikationsnummern enthalten. Vom Versenden von E-Mails bis zum Herunterladen von Videos – jede Internetaktivität erfordert die Übertragung von Paketen.

Wenn Pakete ihr Ziel nicht erreichen, kann es für den Endanwender zu Störungen kommen, zum Beispiel einem langsamen Service oder einem Verlust der Netzwerkkonnektivität. Für Privatanwender kann ein langsamerer Service oder ein Verlust der Netzwerkverbindung zu einem negativen Nutzererlebnis (UX) führen. Für Unternehmen, insbesondere in Cloud-basierten und Echtzeitumgebungen, können Netzwerkprobleme schwerwiegende Auswirkungen auf den Geschäftsbetrieb und die Kundenzufriedenheit haben.

In der Regel leiden Anwendungen, die auf die Echtzeitverarbeitung von Paketen angewiesen am meisten unter Paketverlust. Beispiele dafür sind Videoanrufe und audiobasierte Programme.

Paketverlust wird üblicherweise entweder durch Fehler bei der Datenübertragung oder durch Netzwerküberlastung verursacht. Die Paketverlustrate wird in Prozenten ausgedrückt und als Anzahl der verloren gegangenen Pakete verglichen mit der Gesamtzahl der gesendeten Pakete berechnet.

Was sind die Ursachen für Paketverlust?

Zu den Ursachen für Paketverluste gehören eine unzureichende Signalstärke am Zielort, natürliche oder vom Menschen verursachte Störungen, übermäßiges Systemrauschen, Softwarefehler oder überlastete Netzwerkknoten. Darüber hinaus können zum Beispiel Überlastung durch viele IoT-Geräte oder Softwarefehler in containerisierten Umgebungen (etwa Kubernetes) eine Rolle spielen.

Oft sind aber mehrere Faktoren beteiligt. Zu den weiteren Ursachen zählen folgende Punkte:

• Netzwerküberlastung: Wenn ein Netzwerk seine maximale Kapazität erreicht, kann es so stark beschäftigt sein, dass es eingehende Pakete ignoriert oder verwirft, um den Verarbeitungsrückstand aufzuholen. Eine Anwendung kann im Falle einer Netzwerküberlastung die verlorenen Datenpakete erneut senden.
• Netzwerkhardware: Alte oder fehlerhafte Hardwarekomponenten wie Router oder Firewalls beeinträchtigt möglicherweise den Paketdurchsatz. Auch falsch konfigurierte virtuelle Netzwerke in Cloud-Umgebungen können den Datenfluss behindern.
• Softwarefehler: Veraltete oder inkompatible Software kann unerwartete Paketverluste verursachen. Dies betrifft insbesondere virtuelle Appliances und Firewalls.
• Sicherheitslücken: Denial-of-Service-Angriffen können einen plötzlichen und starken Anstieg von Paketverlusten verursachen. Das Ziel der Angreifer besteht darin, ein System mit so vielen Anfragen zu überfluten, dass das Netzwerk zusammenbricht. Die Ressourcen des Opfers sind so überlastet, dass es für andere schwierig oder unmöglich ist, auf sie zuzugreifen. Ein ungewöhnlicher Anstieg beim Paketverlust könnte ein Anzeichen für einen Cyberangriff sein.

Wenn sich die Ursache nicht beseitigen lässt, kann man per Packet Loss Concealment versuchen, die Auswirkungen der verlorenen Pakete zu minimieren.

Wie wirkt sich Paketverlust aus?

Die Auswirkungen von Packet Loss machen sich als Einbußen der Netzwerk-Performance bemerkbar und umfassen folgende Aspekte:

• Mangelnde Kommunikationsqualität: Bei Echtzeitanwendungen, insbesondere bei Voice over IP (VoIP), kommt es zu Jitter und häufigen Sprachaussetzern auf Empfängerseite. Paketverluste von weniger als zwei Prozent können bereits spürbar sein.
• Geringerer Durchsatz: Paketverlust reduziert den Durchsatz. Einige Transport-Layer-Protokolle interpretieren Paketverluste als Überlastung. Daher passt das Protokoll seine Übertragungsrate an, um die festgestellte Überlastung zu verhindern.
• Weniger sichere Kommunikation: Paketverlust kann Hintertüren mit niedriger Priorität bieten, durch die Cyberkriminelle angreifen können. VoIP-Anwendungen können auf diese Weise gehackt werden
• Verlust von verschlüsselten Daten: Durch Paketverlust gehackte Systeme können es Cyberkriminellen ermöglichen, Sicherheitsmaßnahmen zu umgehen und verschlüsselte Daten zu stehlen.
• Verworfene Pakete: Pakete, die die größten Verzögerungen aufweisen, können verworfen werden, um die Gesamtlatenz zu verringern.
• Unvollständige Daten: Im Extremfall kann Paketverlust zu stark beschädigten Empfangsdaten und Bildern, unverständlicher Sprache oder sogar zum völligen Fehlen eines Empfangssignals führen.

Darüber hinaus sind die Auswirkungen von Paketverlust je nach verwendetem Protokoll unterschiedlich:

• Transmission Control Protocol: TCP ist so konzipiert, dass Paketverlust nicht auftritt. Geht ein Paket verloren, kann TCP es erneut übertragen. Bei der zweiten Übertragung werden die verlorenen Pakete aufgesammelt und der Datenstrom rekonstruiert. Das bedeutet jedoch nicht, dass es keine Verzögerung gibt. Das Netzwerk kann sich langsamer anfühlen, da die erneute Übertragung von Daten immer noch Zeit in Anspruch nimmt.
• User Datagram Protocol: UDP lässt sich in einigen Netzwerkarchitekturen nutzen, kann aber Pakete nicht erneut übertragen, so dass die Daten manuell erneut gesendet werden müssen. Stattdessen lassen sich UDP-Verbindungen verwenden, um die Netzwerkverbindung bei Paketverlust zu beenden.

In verschiedenen Szenarien sind unterschiedliche Paketverlustraten akzeptabel. Beispielsweise können weniger als zwei Prozent Paketverlust dazu führen, dass ein VoIP-Anruf verstümmelt wird, während ein Paketverlust von bis zu zehn Prozent für kleine Downloads möglicherweise hinnehmbar ist.

Wie lässt sich Paketverlust erkennen?

Eine einfache Möglichkeit, Paketverlust zu entdecken, besteht darin, ihn von TCP erkennen zu lassen, da es darauf ausgelegt ist, Packet Loss zu verhindern. Wer Paketverlust feststellen möchte, hat verschieden Optionen:

• Ping: Das Netzwerk-Utility Ping, das bei jedem Betriebssystem dabei ist, schickt spezielle Pakete an ein bestimmtes Ziel und beobachtet dann, ob der Knoten am anderen Ende korrekt antwortet. Der beste Weg, um mit Ping Paketverlust zu messen, besteht darin, eine große Anzahl von Pings an das Ziel zu senden und auf die fehlgeschlagenen Antworten zu achten. Wenn jemand beispielsweise 50 Mal ein Ziel anpingt und nur 49 Antworten erhält, lässt sich der Paketverlust auf etwa zwei Prozent schätzen.
• Spezialisierte Tools: Zusätzlich zum klassischen Ping-Test verwenden Netzwerktechniker heute Tools wie Wireshark oder NetFlow-Analysen. Diese liefern detaillierte Informationen zu betroffenen Knoten und spezifischen Traffic-Mustern.
• Netzwerk-Monitoring-Systeme: Automatisierte Überwachungstools wie SolarWinds, Paessler PRTG oder Cloud-native Tools wie Datadog analysieren Traffic-Daten und schlagen Alarm bei abnormalen Paketverlusten.

Wie lässt sich Paketverlust beseitigen?

Es gibt keine allgemeingültige Lösung für Paketverlust, da er durch eine Reihe von Problemen verursacht werden kann. Deshalb existieren verschiedene Methoden, um das Problem zu beheben:

• Erhöhen Sie die Bandbreite: Liegt das Problem nur an der Überlastung des Netzwerks, dann können durch mehr Bandbreite auch mehr Anfragen gleichzeitig bearbeitet werden, so dass sich weitere Verzögerungen vermeiden lassen.
• Führen Sie Deep Packet Inspection durch: Bei DPI handelt es sich um eine Art der Paketfilterung, die Pakete mit bestimmten Daten- oder Code-Payloads lokalisiert, identifiziert, klassifiziert, neu routet oder blockiert. Dies kann bei einer Netzwerküberlastung helfen, indem der Fluss des Netzwerkverkehrs optimiert wird. Auf diese Weise lassen sich etwa Pakete mit hoher Priorität kennzeichnen und dann vor Paketen mit niedriger Priorität routen.
• Aktualisieren Sie Hardware und Software: Veraltete Hardware und Software kann den Netzwerk-Traffic verlangsamen und Paketverlust verursachen. Der Task Manager von Microsoft Windows kann einen Netzwerkadministrator dabei unterstützen, Software zu identifizieren, die zu viel Bandbreite beansprucht. Die Aktualisierung von Hard- und Software kann ebenfalls helfen, dass es zu keinen zusätzlichen Fehlern kommt.
• Nutzen Sie kabelgebundene Verbindungen: Im Vergleich zu WLANs ist es bei kabelgebundenen Netzwerken weniger wahrscheinlich, dass Datenpakete bei der Übertragung verloren gehen, da die kabelgebundene Verbindung stabiler ist. Vergewissern Sie sich jedoch, dass die Ethernet-Kabel nicht beschädigt sind, denn defekte Kabel können die Paketübertragung negativ beeinflussen.
• Reduzieren Sie Störfaktoren: Interferenzen von Bluetooth-Geräten, wie Kopfhörern und Tastaturen, können Störsignale verursachen. Das Deaktivieren dieser Geräte kann für Abhilfe sorgen.
• Nutzen Sie moderne Netzwerktechnologien: Lösungen wie SD-WAN priorisieren kritischen Traffic und können Paketverluste durch intelligentes Routing minimieren.
• Optimierung Sie für Echtzeitanwendungen: Adaptive Mechanismen wie Forward Error Correction (FEC) sind eine Option bei Übertragungsfehlern. Network Function Virtualization (NFV) ermöglicht es, Netzwerkfunktionen flexibel und skalierbar bereitzustellen, wodurch sich Probleme wie Überlastung oder Ressourcenknappheit dynamisch lösen lassen.

Wie lässt sich Paketverlust verhindern?

Es gibt verschiedene Optionen, um Paketverlust zu verhindern oder zumindest auf einem akzeptablen Niveau zu halten:

• Investieren Sie in die Netzwerkmodernisierung: Unternehmen sollten auf leistungsfähige Router, Switches und Firewalls achten, die moderne Standards wie Wi-Fi 6/7 oder 5G unterstützen.
• Nutzen Sie Edge-Computing: Durch die Verarbeitung von Daten näher an der Quelle können Engpässe durch Überlastung reduziert werden.
• Setzen Sie KI-basierte Netzwerkanalyse ein: Moderne Tools können Trends im Netzwerkverkehr frühzeitig erkennen und automatische Optimierungen vornehmen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde ursprünglich von Alexander S. Gillis verfasst und von der ComputerWeekly-Redaktion aktualisiert, um Branchenveränderungen widerzuspiegeln und das Leseerlebnis zu verbessern.