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Transmission Control Protocol

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TCP (Transmission Control Protocol)
Familie: TCP/IP
Einsatzgebiet: Zuverlässiger bidirektionaler
Datentransport
TCP im TCP/IP-Protokollstapel
Anwendungsschicht FTP SMTP DNS ...
Transportschicht TCP UDP ...
Internetschicht IP
Netzwerkschicht Ethernet Token
Ring 		FDDI ...
Standards:

RFC 793 (1981)
RFC 1323 (1992)

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist eine Vereinbarung (Protokoll) darüber, auf welche Art und Weise Daten zwischen Computern ausgetauscht werden sollen. Alle am Datenaustausch beteiligten Computer kennen diese Vereinbarungen und befolgen sie. Es ist ein zuverlässiges, verbindungsorientiertes Transportprotokoll in Computernetzwerken. Es ist Teil der TCP/IP-Protokollfamilie, der Grundlage des Internets.

Entwickelt wurde TCP von Robert E. Kahn und Vinton G. Cerf. Ihre Forschungsarbeit, die sie im Jahre 1973 begannen, dauerte mehrere Jahre. Die erste Standardisierung von TCP erfolgte deshalb erst im Jahre 1981 als RFC 793. Danach gab es viele Erweiterungen, die bis heute in neuen RFCs spezifiziert werden und alle zu TCP gehören.

TCP stellt einen virtuellen Kanal zwischen zwei Endpunkten einer Netzwerkverbindung (Sockets) her. Auf diesem Kanal können in beide Richtungen Daten übertragen werden. TCP setzt in den meisten Fällen auf das IP (Internet-Protokoll) auf. Es ist in Schicht 4 des OSI-Referenzmodells angesiedelt.

Verbindungsaufbau und Abbau

Allgemeines

Datei:Tcp soft.png
Abb. 1
Abb. 2: Verwaltung der TCP-Verbindungen als endlicher Automat

TCP ist im Prinzip eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung in Vollduplex. Diese Verbindung kann in zwei Halbduplex-Verbindungen eingeteilt werden, wobei die Daten in Gegenrichtung zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten. Das Management dieser Verbindung sowie die Datenübertragung wird von der TCP-Software übernommen, wie in Abb. 1 dargestellt. Die TCP-Software ist eine Funktionssammlung und (je nach Betriebssystem unterschiedlich) beispielsweise bei Windows in der Winsock.dll beziehungsweise der wsock32.dll oder bei Linux auch im Kernel angesiedelt. Anwendungen, die diese Software häufig nutzen, sind zum Beispiel Webbrowser wie der Firefox und Webserver wie der Apache HTTP Server).

Jeder Endpunkt stellt ein Tupel bestehend aus IP-Adresse und Port dar. Ports sind 16-Bit-Zahlen und reichen von 0 bis 65535. Ports von 0 bis 1023 sind reserviert (englisch: well known portsVorlage:Ref) und werden von der IANA vergeben, z. B. ist Port 80 für das HTTP-Protokoll reserviert. Allerdings ist das Benutzen der vordefinierten Ports trotzdem nicht bindend. So kann jeder Administrator einen FTP-Server (normalerweise Port 21) auch auf einem anderen Port laufen lassen.

Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte definiert. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Webserver auf einem Port mehr als eine Verbindung zu einem anderen Rechner geöffnet haben kann.

Ein Webserver, der seinen Dienst anbietet, generiert einen Endpunkt mit dem Port und seiner Adresse (er kann auch beliebige Adressen zulassen). Dies wird als passive open oder auch als listen bezeichnet.

Will ein Client eine Verbindung aufbauen, generiert er einen eigenen Endpunkt aus seiner Rechneradresse und einer noch freien Portnummer. Mit Hilfe eines ihm bekannten Ports und der Adresse des Servers kann dann eine Verbindung aufgebaut werden.

Während der Datenübertragungsphase (active open) sind die Rollen von Client und Server (aus TCP-Sicht) vollkommen symmetrisch. Insbesondere kann jeder der beiden beteiligten Rechner einen Verbindungsabbau einleiten.

Während des Abbaus kann die Gegenseite noch Daten übertragen, die Verbindung kann also halb-offen sein.

Der Drei-Wege-Handshake

Drei-Wege-Handshake ist die Bezeichnung für ein bestimmtes Verfahren, um eine in Bezug auf Übertragungsverluste sichere Datenübertragung zwischen zwei Instanzen zu ermöglichen. Obwohl überwiegend in der Netzwerktechnik verwendet, ist der Drei-Wege-Handshake nicht auf diese beschränkt.

Verbindungsaufbau

Abb. 3: TCP-Handshake

Beim Aufbau einer TCP-Verbindung kommt der so genannte Drei-Wege-Handshake zum Einsatz. Der Rechner, der die Verbindung initiieren will, sendet dem anderen ein SYN-Paket mit einer Sequenznummer x. Es handelt sich also um ein Paket, dessen SYN-Bit im Paketkopf gesetzt ist (siehe TCP-Header). Die initiale Sequenznummer ist beliebig und wird vom jeweiligen Betriebssystem festgelegt.

Die Gegenstelle (siehe Skizze) empfängt das Paket und sendet in einem eigenen SYN-Paket im Gegenzug seine initiale Sequenznummer y. Zugleich bestätigt sie den Erhalt des ersten SYN-Pakets, indem sie die Sequenznummer inkrementiert und x+1 im ACK-Teil des Headers zurückschickt.

Der Client bestätigt zuletzt den Erhalt des SYN/ACK-Pakets durch das Senden eines eigenen ACK-Pakets mit der Sequenznummer x+1 und dem ACK-Wert y+1. Die Verbindung ist damit aufgebaut.

   1.    SYN-SENT        -->  <SEQ=100><CTL=SYN>                              -->  SYN-RECEIVED
   2.    ESTABLISHED  <--  <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK>    <--  SYN-RECEIVED
   3.    ESTABLISHED  -->  <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK>              -->  ESTABLISHED

Verbindungsabbau

Datei:Tcp-teardown.png
Abb. 4: TCP-Teardown

Der geregelte Verbindungsabbau erfolgt ähnlich. Statt des SYN-Bits kommt das FIN-Bit zum Einsatz. Der Erhalt des Pakets wird wiederum mittels ACK bestätigt. Der Empfänger des FIN-Pakets sendet zuletzt seinerseits ein FIN-Paket, das ihm ebenfalls bestätigt wird.

Obwohl eigentlich vier Wege genutzt werden, handelt es sich beim Verbindungsabbau auch um einen Drei-Wege-Handshake, da die ACK- und FIN-Operationen vom Server zum Client als ein Weg gewertet werden. Zudem ist ein verkürztes Verfahren möglich, bei dem FIN und ACK genau wie beim Verbindungsaufbau im selben Paket untergebracht werden.

Aufbau des TCP-Headers

Allgemeines

Das TCP-Segment besteht immer aus zwei Teilen – dem Header und der Nutzlast (Payload). Die Nutzlast enthält die zu übertragenden Daten, die wiederum Protokollinformationen der Anwendungsschicht wie HTTP oder FTP entsprechen können. Den schematischen Aufbau des TCP-Headers kann man im Bild rechts sehen. Die Werte werden in network byte order (big endian) angegeben.

Erläuterung

Datei:Tcp header.png
Abb. 5: Aufbau des TCP-Headers
Source Port
Gibt die Portnummer auf der Senderseite an.
Destination Port
Gibt die Portnummer auf der Empfängerseite an.
Sequence Number
Sequenznummer des ersten Daten-Oktetts (Byte) dieses TCP-Paketes oder die Initialisierungs-Sequenznummer falls das SYN-Flag gesetzt ist. Nach der Datenübertragung dient sie zur Sortierung der TCP-Segmente, da diese in unterschiedlicher Reihenfolge beim Empfänger ankommen können.
Acknowledgment Number (Quittierungsnummer)
Sie gibt die Sequenznummer an, die der Sender dieses TCP-Segmentes als nächstes erwartet. Nur gültig, falls das ACK-Flag gesetzt ist.
Data Offset
Länge des TCP-Headers in 32-Bit-Blöcken – ohne die Nutzdaten (Payload). Indiziert die Startadresse der Nutzdaten.
Reserved
Das Reserved-Feld wird nicht verwendet und muss null sein.
Flags
URG
Ist das Urgent-Flag gesetzt, so werden die Daten, auf die das Urgent Pointer-Feld zeigt, sofort von der Anwendung bearbeitet. Dabei unterbricht die Anwendung alle anderen Aufgaben. Dieses Verfahren ist fern verwandt mit einem Softwareinterrupt. Dieses Flag kann zum Beispiel verwendet werden, um eine Anwendung auf dem Empfänger abzubrechen.
ACK
Das Acknowledgment-Flag hat in Verbindung mit dem Acknowledgment-Feld folgende Aufgaben. Einmal dient es in Verbindung mit dem ACK- und SYN-Flag zur Bestätigung beim 3 Way-Handshake und zur Bestätigung von TCP-Segmenten beim Datentransfer. Das Acknowledgment-Feld ist nicht gültig, wenn das Flag nicht gesetzt ist.
PSH
Das Push-Flag hat die Aufgabe die Daten unter Umgehung des Buffers sofort an die Anwendung weiterzuleiten. Hilfreich ist dies, wenn man zum Beispiel bei einer Telnet-Sitzung einen Befehl an den Empfänger senden will. Würde dieser Befehl ersteinmal im Buffer zwischengespeichert, so würde dieser erst (stark) verzögert abgearbeitet.
RST
Das Reset-Flag wird verwendet, wenn eine Verbindung abgebrochen werden soll. Dies geschieht zum Beispiel bei technischen Problemen oder zur Abweisung von unerwünschten Verbindungen.
SYN
Pakete mit gesetztem SYN-Flag initiieren eine Verbindung, d. h. beginnen den 3-Wege-Handshake. Der Server antwortet normalerweise entweder mit SYN+ACK, wenn er bereit ist, die Verbindung anzunehmen, andernfalls mit RST. Dient der Synchronisation von Sequenznummern beim Verbindungsaufbau (daher die Bezeichnung SYN).
FIN
Dieses Finish-Flag dient zur Freigabe der Verbindung und zeigt an, dass keine Daten mehr vom Sender kommen. Die FIN- und SYN-Flags haben Sequenznummern, damit diese in der richtigen Reihenfolge abgearbeitet werden.
Window
Ist die Anzahl der Daten-Oktetts (Bytes), beginnend bei dem durch das Acknowledgmentfeld indizierten Daten-Oktett, die der Sender dieses TCP-Paketes bereit ist zu empfangen.
Checksum
Die Prüfsumme dient zur Erkennung von Übertragungsfehlern und wird über den Header und die Daten berechnet.
Urgent Pointer
Zusammen mit der Sequenz-Nummer gibt dieser Wert die genaue Position der Daten im Datenstrom an. Der Wert ist nur gültig, wenn das URG-Flag gesetzt ist.
Options
Das Options-Feld ist unterschiedlich groß und enthält Zusatzinformationen. Die Optionen müssen ein Vielfaches von 32 Bit lang sein. Sind sie das nicht, muss mit Null-Bits aufgefüllt werden (Padding). Dieses Feld gibt die Möglichkeit Verbindungsdaten auszuhandeln, die nicht im TCP-Header enthalten sind. Wie zum Beispiel die Maximalgröße des Nutzdatenfeldes.

Datenübertragung

Datei:Tcp daten.png
Abb. 6: Segmentierung der Nutzdaten

TCP/IP-Paket-Größe

Ein TCP-Segment hat typischerweise eine Größe von 1500 Bytes. Es darf nur so groß sein, dass es in die darunter liegende Übertragungsschicht passt, das Internetprotokoll IP. Das IP-Paket ist theoretisch bis 65535 Bytes (64 kB) spezifiziert, wird aber selbst meist über Ethernet übertragen, und dort ist die Rahmengröße auf 1500 Bytes festgelegt. TCP und IP Protokoll definieren jeweils einen Header von 20 Bytes Größe. Für die Nutzdaten bleiben in einem TCP/IP-Paket also 1460 Bytes übrig. Da die meisten Internet-Anschlüsse DSL verwenden, gibt es dort noch das Point-to-Point Protocol (PPP) zwischen IP und Ethernet, was nochmal 8 Bytes für den PPP-Rahmen kostet. Dem TCP/IP-Paket verbleiben im Ethernet-Rahmen nur 1492 Bytes MTU, die Nutzdaten reduzieren sich auf insgesamt 1452 Bytes MSS. Dies entspricht einer Auslastung von 96,8%.

Aufteilen der Anwendungsdaten auf TCP/IP-Pakete

Empfänger und Sender einigen sich vor dem Datenaustausch über das Options-Feld auf die Größe der MSS. Die Anwendung, die Daten versenden möchte, beispielsweise ein Webserver, legt zum Beispiel einen 10 Kilobyte großen Datenblock im Buffer ab. Wie kann man mit einem 1460 Byte großen Nutzdatenfeld 10 Kilobyte Daten versenden? Ganz einfach, man teilt die Daten auf mehrere Pakete auf, fügt einen TCP-Header hinzu und versendet die TCP-Segmente, der Vorgang heißt Segmentierung. Im Buffer ist der Datenblock, dieser wird in 5 Segmente aufgeteilt (siehe Abb. 6). Jedes Segment erhält durch die TCP-Software einen TCP-Header. 3 TCP-Segmente wurden aktuell abgeschickt. Diese sind nicht geordnet, da im Internet jedes TCP-Segment einen anderen Weg nehmen und es dadurch zu Verzögerungen kommen kann. Damit die TCP-Software im Empfänger die Segmente wieder ordnen kann, ist jedes Segment "nummeriert" (die Segmente werden sozusagen gezählt). Bei der Zuordnung der Segmente wird die Sequenznummer herangezogen. Der Empfänger muss TCP-Segmente, die einwandfrei (Checksumme ist in Ordnung) angekommen sind, bestätigen.

Abb. 7: Beispiel eines Datentransfers

Beispiel einer TCP/IP Datenübertragung

Der Sender schickt sein erstes TCP-Segment mit einer Sequenznummer SEQ=1 (variiert) und einer Nutzdatenlänge von 1460 Byte an den Empfänger. Der Empfänger bestätigt es mit einem TCP-Header ohne Daten mit ACK=1461 und fordert damit das zweite TCP-Segment ab dem Byte Nummer 1461 beim Sender an. Dieser schickt es dann mit einem TCP-Segment und SEQ=1461 an den Empfänger. Dieser bestätigt es wieder mit einem ACK=2921 und so weiter. Der Empfänger braucht nicht jedes TCP-Segment zu bestätigen, wenn diese zusammenhängend sind. Empfängt er die TCP-Segmente 1,2,3,4,5 so braucht er nur das letzte TCP-Segment zu bestätigen. Fehlt zum Beispiel das TCP-Segment 3 weil es verloren gegangen ist, so kann er nur die 1 und die 2 bestätigen 4 und 5 jedoch noch nicht. Da der Sender keine Bestätigung für die 3 bekommt läuft sein Timer ab und er verschickt die 3 noch einmal. Kommt die 3 beim Empfänger an, so bestätigt er alle 5 TCP-Segmente. Der Sender startet für jedes TCP-Segment, welches er auf die Reise schickt einen Timer (RTT).

Flusssteuerung

Datei:Sliding window.png
Abb. 8: Sliding Window

Da die Anwendung Daten aus dem Buffer liest, ändert sich der Füllstand des Buffers ständig. Deshalb ist es notwendig den Datenfluss entsprechend dem Füllstand zu steuern. Dies geschieht mit dem Sliding Window und dessen Größe. Den Buffer des Senders erweitern wir, wie in Abb. 8 zu sehen, auf 10 Segmente. In der Abb. 8a werden gerade die Segmente 1–5 übertragen. Die Übertragung ist vergleichbar mit Abb. 7. Obwohl der Buffer des Empfängers in Abb. 7 am Ende voll ist, fordert er mit ACK=7301 die nächsten Daten ab dem Byte 7301 beim Sender an. Dies hat zur Folge, dass das nächste TCP-Segment vom Empfänger nicht mehr verarbeitet werden kann. Ausnahme sind jedoch TCP-Segmente mit gesetztem URG-Flag. Mit dem Window-Feld kann er dem Sender mitteilen, dass er keine Daten mehr verschicken soll. Dies geschieht, indem er im Window-Feld den Wert Null einträgt (Zero Window). Der Wert Null entspricht dem freien Speicherplatz im Buffer. Die Anwendung des Empfängers liest nun die Segmente 1–5 aus dem Buffer, womit wieder ein Speicherplatz von 7300 Byte frei ist. Damit kann er die restlichen Segmente 6–10 mit einem TCP-Header, der die Werte SEQ=1, ACK=7301 und Window=7300 enthält, beim Sender anfordern. Der Sender weiß nun, dass er maximal 5 TCP-Segmente an den Empfänger schicken kann und verschiebt das Window um 5 Segmente nach rechts (siehe Abb. 8b). Die Segmente 6–10 werden nun alle zusammen als Burst verschickt. Kommen alle TCP-Segmente beim Empfänger an, so quittiert er sie mit SEQ=1 und ACK=14601 und fordert die nächsten Daten an.

Silly Window Syndrome:

Der Empfänger sendet ein Zero Window an den Sender, da sein Buffer voll ist. Die Anwendung beim Empfänger liest allerdings nur zwei Byte aus dem Buffer. Der Empfänger schickt ein TCP-Header mit Window=2 (Window Update) an den Sender und fordert gleichzeitig die zwei Byte an. Der Sender kommt der Aufforderung nach und schickt die zwei Byte in einem 42 Byte großen Paket (mit IP-Header und TCP-Header) an den Empfänger. Damit ist der Buffer des Empfängers wieder voll und er schickt wieder ein Zero Window an den Sender. Die Anwendung liest jetzt zum Beispiel hundert Byte aus dem Buffer. Der Empfänger schickt wieder ein TCP-Header mit einem kleinen Window-Wert an den Sender. Dieses Spiel setzt sich immer wieder fort und verschwendet Bandbreite, da nur sehr kleine Pakete versandt werden. Clarks Lösung ist, dass der Empfänger ein Zero Window senden und solange mit dem Window Update warten soll bis die Anwendung mindestens die Maximum Segmentsize (in unserem bisherigen Beispielen 1460 Byte) aus dem Buffer gelesen hat oder der Buffer halbleer ist. Je nachdem was zuerst eintritt (Dave Clark, 1982). Auch der Sender kann zu kleine Pakete abschicken und dadurch Bandbreite verschwenden. Dieser Umstand wird mit dem Nagle-Algorithmus beseitigt. Deswegen ergänzt er sich mit Clarks Lösung.

Slow-Start

Zu Beginn einer Datenübertragung dient der Slow-Start Algorithmus zur Bestimmung des Congestion Windows (wörtlich: Überlast-Zeitfenster) um einer möglichen Überlastsituation vorzubeugen. Man möchte Stau vermeiden, und da die momentane Auslastung des Netzes nicht bekannt ist, wird mit zunächst kleinen Datenmengen begonnen. Der Algorithmus startet mit einem kleinen Zeitfenster von zwei MSS, in dem Datenpakete vom Sender zum Empfänger übertragen werden. Der Empfänger sendet nun eine Bestätigung (Acknowledgement, ACK) an den Sender zurück. Anschließend wird die Größe des Sendefensters verdoppelt. Für jedes weitere bestätigte Paket wird wieder verdoppelt, das Limit ist das vom Empfänger festgelegte Empfangsfenster (siehe Flusssteuerung). Das Wachstum des Fensters ist exponentiell, also erst langsam, dann schnell, daher der Name slow-start.

Überlastkontrolle

Gehen bei einer bestimmten Fenstergröße Pakete verloren, kann das festgestellt werden, wenn der Sender innerhalb einer bestimmten Zeit (Timeout) keine Bestätigung (ACK) erhält. Man muss davon ausgehen, dass das Paket von einem Router im Netz verworfen wurde, Aufgrund zu hoher Netzlast, d. h. der Puffer eines Routers ist vollgelaufen, also Stau im Netz. Um diesen aufzulösen, müssen alle beteiligten Sender ihre Netzlast reduzieren. Wird ein Paketverlust festgestellt, so wählt man die Hälfte der noch unbestätigten Daten im Netz als geeignetes Zeitfenster für die Datenübertragung zwischen diesem Sender und diesem Empfänger über den benutzten Kanal. Das verlorene Paket wird erneut übertragen, für jede Bestätigung wird die Sendefenstergröße wieder um eine MSS erhöht wie beim Slow-Start.

Fast-Retransmit und Fast-Recovery werden eingesetzt, um nach einem Paketverlust schneller auf die Stau-Situation zu reagieren. Dazu informiert ein Empfänger den Sender, wenn Pakete außer der Reihe ankommen, somit dazwischen ein Paketverlust vorliegt. Dazu bestätigt der Empfänger das letzte korrekte Paket erneut für jedes weitere ankommende Paket außer der Reihe, sogenannte Dup-Acks. Der Sender bemerkt die Duplikate der Bestätigungen und nach dem dritten sendet er sofort vor Ablauf des Timer das verlorene Paket erneut. Weil nicht auf den Ablauf des Timer gewartet werden muss, heißt das Fast-Retransmit. Die Dup-Acks sind auch Hinweise darauf, dass zwar ein Paketverlust stattfand, aber doch die folgenden Pakete angekommen sind. Deshalb wird das Sendefenster nach dem Fehler nur Halbiert und nicht wie beim Timeout wieder mit slow-start begonnen. Zusätzlich kann das Sendefenster noch etwas erhöht werden, um die Anzahl der Dup-Acks, denn jedes steht für ein weiteres Paket – zwar außer der Reihe – aber immerhin durchgekommen. Damit wird nach dem Fehler schneller wieder die volle Sendeleistung erreicht werden, man nennt das fast-recovery.

Bis zum Erkennen des Paketverlust wurden noch weitere Pakete bis zur Sendefenstergröße übertragen. Der Empfänger konnte diese nicht nutzen, weil ein Paket der Serie verloren ging, aber er kann sie im Puffer halten; nach der Neuübertragung des verlorenen Pakets durch den Sender bestätigt der Empfänger mittels ACK und einer höheren Sequenznummer die nun vollständige Paketfolge. Das spart dem Sender alle nach dem Paketverlust übertragenen Pakete erneut zu übertragen, und er kann sofort mit ganz neuen Paketen fortsetzen, man nennt das kumuliertes ACK.

Selective Acks werden genutzt, um noch mehr Kontrollinformationen über den Datenfluss vom Empfänger an den Sender zurückzuschicken. Dabei wird nach einem Paketverlust vom Empfänger in die Dup-Acks für die Pakete außer der Reihe, die Anzahl der momentan zwischengespeicherten Pakete eingefügt. Damit erfährt der Sender genauer, welche Pakete bereits angekommen sind, und welche fehlen. Die Information wird in einem TCP-Options-Feld des Header bereitgestellt. Bestätigt sind die Pakete aber weiterhin erst, wenn der Empfänger dem Sender ein ACK für die Pakete übermittelt hat.

Aufbau und Funktion des TCP Pseudo-Headers

Der Pseudo-Header wird zur Checksummenberechnung verwendet und dient daher zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. Es ist dadurch auch möglich fehlgeleitete Pakete zu erkennen. In die Berechnung fließen außerdem noch der TCP-Header und seine Nutzdaten (TCP-Segment) ein. Bevor die TCP-Software ein TCP-Segment abschickt bildet sie einen Pseudo-Header aus der IP-Adresse des Senders und des Empfängers, sowie der TCP-Segment-Länge. Vor Berechnung der Checksumme wird das Checksummen-Feld im TCP-Header auf Null gesetzt und es wird dem Nutzdatenfeld ein Null-Byte angehängt, wenn die Länge eine ungerade Zahl ist. Die Berechnung der Checksumme erfolgt durch Addition von 16 Bit-Werten im Einerkomplement. Aus der Summe wird nocheinmal das Einerkomplement gebildet. Nach der Berechnung wird das 16 Bit-Ergebnis im TCP-Header abgelegt und das TCP-Segment abgeschickt. Der Empfänger führt diese Berechnung nocheinmal unter Einbezug der Checksumme aus, wodurch das Ergebnis Null sein sollte. Ist die Checksumme beim Empfang des TCP-Segmentes nicht Null, so wird es ohne Nachricht verworfen. Dies hat zur Folge, dass der RTT-Timer beim Absender abläuft und das TCP-Segment nochmal abgeschickt wird.

Datei:Pseudo header.png
Der Aufbau des TCP-Pseudo-Headers
Source IP Address
IP-Adresse des Absenders.
Destination IP Address
IP-Adresse des Empfängers.
00000000
Füllbits.
Protocol
Hat immer den Wert Sechs für das TCP-Protokoll (siehe auch IP-Header).
TCP Length
Länge des TCP-Segments in Bytes.

Datenintegrität und Zuverlässigkeit

Im Gegensatz zum verbindungslosen UDP implementiert TCP einen bidirektionalen, byte-orientierten, zuverlässigen Datenstrom zwischen zwei Endpunkten. Das darunterliegende Protokoll (IP) ist paketorientiert, wobei Datenpakete verlorengehen können, in verkehrter Reihenfolge ankommen dürfen und sogar doppelt empfangen werden können. TCP wurde entwickelt, um mit der Unsicherheit der darunter liegenden Schichten umzugehen. Es prüft daher die Integrität der Daten mittels der Prüfsumme im Paketkopf und stellt die Reihenfolge durch Sequenznummern sicher. Der Sender wiederholt das Senden von Paketen, falls keine Bestätigung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (Timeout) eintrifft. Die Daten der Pakete werden beim Empfänger in einem Puffer in der richtigen Reihenfolge zu einem Datenstrom zusammengefügt und doppelte Pakete verworfen.

Der Datentransfer kann selbstverständlich jederzeit nach dem "Aufbau einer Verbindung" gestört, verzögert oder ganz unterbrochen werden. Das Übertragungssystem läuft dann in einen Timeout. Der vorab getätigte "Verbindungsaufbau" stellt also keinerlei Gewähr für eine nachfolgende, dauerhaft gesicherte Übertragung dar.

Bestätigungen

Die jeweilige Länge des Puffers, bis zu der keine Lücke im Datenstrom existiert, wird bestätigt (Windowing). Dadurch ist das Ausnutzen der Netzwerk-Bandbreite auch bei großen Strecken möglich. Bei einer Übersee- oder Satellitenverbindung dauert das Eintreffen des ersten Acknowledges (ACK) aus technischen Gründen bisweilen mehrere 100 ms, in dieser Zeit können unter Umständen mehrere hundert Pakete gesendet werden. Der Sender kann den Empfängerpuffer füllen, bevor die erste Bestätigung eintrifft. Alle Pakete im Puffer können gemeinsam bestätigt werden. Bestätigungen können zusätzlich zu den Daten in den TCP-Header des entgegengesetzten Datenstroms eingefügt werden (Piggybacking), falls der Empfänger ebenfalls Daten für den Sender bereithält.

Weitere Protokolleigenschaften

Über ein Dringlichkeitsbit (Urgent) können Daten als vorrangig gekennzeichnet werden. Dadurch ist beispielsweise die bevorzugte Behandlung von CTRL-C (Abbruch) bei einer Terminalverbindung (TELNET) möglich.

Um Bandbreite zu sparen, wird auf der TCP Ebene meistens der Nagle-Algorithmus eingesetzt.

Problematik der Datenwiederholung

Die Wiederholung von Daten, für die noch keine Bestätigung empfangen wurde, ist nicht unproblematisch. Im Internet, in dem viele Netzwerke mit unterschiedlichen Eigenschaften verbunden werden, ist Datenverlust einzelner Pakete durchaus normal. Wird eine Verbindung stark belastet, werden immer mehr Pakete verworfen, die entsprechend wiederholt werden müssen. Durch die Wiederholung steigt wiederum die Belastung, ohne geeignete Maßnahmen kommt es zu einem Datenstau.

Die Verlustrate wird von einem IP-Netzwerk ständig beobachtet. Abhängig von der Verlustrate wird die Senderrate durch geeignete Algorithmen beeinflusst: Normalerweise wird eine TCP/IP-Verbindung langsam gestartet (Slow Start) und die Senderate schrittweise erhöht, bis es zum Datenverlust kommt. Ein Datenverlust verringert die Senderate, ohne Verlust wird sie wiederum erhöht. Insgesamt nähert sich die Datenrate so zunächst dem jeweiligen zur Verfügung stehenden Maximum und bleibt im Wesentlichen dann dort. Eine Überbelastung wird vermieden.

Literatur

Quellen

  1. Vorlage:Fußnote
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