Transmission Control Protocol

Transmission Control Protocol (TCP)

Beschreibung

Transportprotokoll

Funktionen	Beschreibung
Zuverlässig
Verbindungsorientiert
Datenströme	Übertragung von Datenströmen

TCP stell eine Verbindung zwischen zwei Endpunkten (Sockets) einer Netzverbindung her

Auf dieser Verbindung können in beide Richtungen Daten übertragen werden
Unterschied zu UDP (verbindungslos User Datagram Protokoll (UDP))

Vorteile

Überlastungskontrolle
Zuverlässige Datenübertragung
- erkennt verlorene, doppelte und fehlerhafte Segmente

Allgemeines

TCP ist im Prinzip eine Ende-zu-Ende-Verbindung in Vollduplex
Kann auch als zwei Halbduplexverbindungen betrachtet werden (Informationsfluss in beide Richtungen (allerdings nicht gleichzeitig))
Die Daten in Gegenrichtung können zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten
Anwendungen, die TCP häufig nutzen, sind zum Beispiel Webbrowser und Webserver

TCP-Software

Übernimmt Verbindungsverwaltung sowie die Datenübertragung
Netz-Protokollstack des Betriebssystems
Anwendungsprogramme nutzen Sockets

Entwicklung

Entwickelt von Robert E. Kahn und Vinton G. Cerf als Forschungsarbeit
Beginn 1973, erste Standardisierung 1981 als RFC 793
Danach gab es viele Erweiterungen, diese werden bis heute in RFCs spezifiziert

Das Transmission Control Protocol arbeitet auf dem OSI-04

TCP verwendet 16-Bit Portnummern zur Adressierung
Zusätzlich zur Adressierung übernimmt es weitere Aufgaben
Verbindungsmanagement (Three-Way-Handshake)
Verbindungsaufbau/-abbau
Fehlerkontrolle (-korrektur)
Flußkontrolle (Flow Control)
verhindert, dass der Empfänger von einem Sender schneller Daten erhält, als er entgegennehmen kann
Netzwerk-Überlastkontrolle (Congestion Control)
verhindert, dass es zu einer Überlastsituation im Netz kommt, die zum vollständigen Zusammenbruch des Netzes führen könnte (congestion collapse)
bei Erkennen einer Überlastsituation (Paketverlust!) wird vom Sender die Datenrate gedrosselt
transparente Übertragung von byte streams
Anwendungen, die TCP benutzen, sollen nicht merken, dass die Daten in Form von Paketen übertragen werden
Mutliplexing
Mehrfachnutzung einer Verbindung
Verbindungsorientiertes Protokoll
Beinhaltet verschiedene Algorithmen zur Fehlererkennung und -behandlung
Sequenznummern
Quittungsnummern
Anzeigen (Flags)
Die richtige Reihenfolge der Daten ist garantiert
Bietet der Anwendungsschicht einen zuverlässigen Transportdienst
RFC 793. J. Postel. Transmission Control Protocol. 1981
setzt direkt auf dem Internet Protokoll (IP) auf
IP Protokoll Nr.: 06
Theoretisch ist es möglich TCP mit einem beliebigen Protokoll der Schicht 3 zu kombinieren
Praktisch wird TCP allerdings immer in IP gekapselt
garantiert eine fehlergesicherte, zuverlässige Transportverbindung zwischen zwei Rechnersystemen (Ende zu Ende Kontrolle)

TCP im DoD-Modell

Rolle von TCP im OSI-Referenzmodell

Eigenschaften von TCP

Vollduplex-Verbindung
stellt eine “byte pipe” zur Verfügung - unstrukturierter Datenstrom
Folgenummern sind Bytenummern
Sliding Window-Protokoll
Variable Grösse des Sendefensters bestimmt durch das Maximum von:
Angabe des Empfängers (receiver window size)
Congestion window size, abhängig von einer lokalen Schätzung der Netzbelastung -> “Slow Start” Algorithmus

Basismechanismen

Unterteilt den byte stream in Einheiten
die jeweils in einem IP Paket übertragen werden, diese Einheiten heißen Segmente
Segmente haben eine variable Länge
Die maximale Segmentgrösse wird bei der Verbindungserstellung festgelegt
Jedes Segment hat eine Folgenummer, die seine Position im Datenstrom in Bytes spezifiziert
Abgesendete Segmente müssen innerhalb einer bestimmten Zeit bestätigt werden (adaptiv geschätzte Round Trip Time)
Bestätigungen werden verzögert gesendet (ca. 200 ms)
Wenn keine Bestätigung über den erfolgreichen Empfang dieses Paketes innerhalb der Timer-Laufzeit eintrifft, wird die Übertragung wiederholt
Jedes Segment hat eine Ende-zu-Ende-Prüfsumme
Fehlerhaft empfangene Segmente werden ignoriert
Empfänger ordnet empfangene Segmente entsprechend ihrer Folgenummer
Duplikate werden ignoriert

Socket-Schnittstelle

De-facto-Standard für TCP/IP Programmierschnittstelle
Zugang zu TCP, UDP und (eingeschränkt) IP
Unterstützung verschiedener Protokolle
Protocol familiy
Address familiy
Abstraktion für Kommunikationsendpunkte
sockets

… mit verschiedenen Kommunikationseigenschaften

socket types (stream socket, datagram socket)
Benennung/Adressierung von Kommunikations-endpunkten
name binding
Können benutzt werden wie Dateideskriptoren

Verbindungen und Verbindungsendpunkte

Eine TCP-Verbindung wird durch ein Paar von Adressen und Port-Nummern identifiziert (Verbindungsendpunkte):
IP-Adresse und Port-Nummer Host A
IP-Adresse und Port-Nummer Host B
Jede Verbindung wird durch ein Paar von Verbindungsendpunkten eindeutig identifiziert
mehrere Verbindung zwischen den gleichen Hosts sind dadurch gleichzeitig möglich

Segmente, Datenströme und Sequenznummern

Erhaltung der Reihenfolge
Nummerierung:
Zufallszahl auf beiden Seiten (32 Bit)
Seq.nr. := Initiale Seq.nr. + Byte-Position im Datenstrom
TCP betrachtet einen Datenstrom als Sequenz von Bytes, die für die Übertragung in TCP-Segmente eingeteilt werden
Jedes Segment wird dann in der Regel auf ein IP-Paket abgebildet
Größe eines Segmentes bei lokaler Übertragung gemäß physikalischem Netz (MTU)
Ist diese nicht angegeben oder kann sie nicht ermittelt werden, dann wird ein Standartwert von 536 Bytes verwandt

Allgemeines

TCP ist im Prinzip eine Ende-zu-Ende-Verbindung in Vollduplex, welche die Übertragung der Informationen in beide Richtungen zulässt, analog zu einem Telefongespräch

Diese Verbindung kann auch als zwei Halbduplexverbindungen, bei denen Informationen in beide Richtungen (allerdings nicht gleichzeitig) fließen können, betrachtet werden
Die Daten in Gegenrichtung können dabei zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten
Die Verwaltung dieser Verbindung sowie die Datenübertragung werden von der TCP-Software übernommen
Die TCP-Software ist üblicherweise im Netz-Protokollstack des Betriebssystems angesiedelt
Anwendungsprogramme benutzen eine Schnittstelle dazu, meist Sockets, die sich (je nach Betriebssystem unterschiedlich) beispielsweise bei Microsoft Windows in extra einzubindenden Programmbibliotheken („Winsock.dll“ bzw. „wsock32.dll“) befinden. Linux und viele andere unixoide Betriebssysteme enthalten einen Socketlayer im Betriebssystemkern
Auf den Socketlayer wird über Systemaufrufe zugegriffen
Anwendungen, die TCP häufig nutzen, sind zum Beispiel Webbrowser und Webserver

Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte identifiziert

Ein Endpunkt stellt ein geordnetes Paar dar, bestehend aus IP-Adresse und Port
Ein solches Paar bildet eine bidirektionale Software-Schnittstelle und wird auch als Socket bezeichnet
Somit wird eine TCP-Verbindung durch vier Werte (einem Quadrupel) identifiziert:

(Lokaler Rechner, Lokaler Port, Entfernter Rechner, Entfernter Port)

Dabei kommt es auf das gesamte Quadrupel an

Beispielsweise können zwei verschiedene Prozesse auf demselben Rechner denselben lokalen Port benutzen und dabei sogar mit demselben Rechner auf der gegenüberliegenden Seite kommunizieren, sofern die beteiligten Prozesse auf der anderen Seite unterschiedliche Ports benutzen
In einem solchen Fall würde es sich um zwei verschiedene Verbindungen handeln, deren Quadrupel sich nur in einem von vier Werten unterscheidet: dem Port auf der gegenüberliegenden Seite

Verbindung 1: (Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port y)
Verbindung 2: (Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port z)

Ein Serverprozess erzeugt beispielsweise einen Socket (socket bind) auf Port 80, markiert diesen für eingehende Verbindungen (listen) und fordert vom Betriebssystem die nächste anstehende Verbindung an (accept)

Diese Anforderung blockiert den Serverprozess zunächst, da noch keine Verbindung existiert
Kommt dann die erste Verbindungsanfrage durch einen Client an, wird sie vom Betriebssystem angenommen, so dass die Verbindung zustande kommt
Ab jetzt wird diese Verbindung durch das oben beschriebene Quadrupel identifiziert

Schließlich wird der Serverprozess aufgeweckt und ihm ein Handle für diese Verbindung überreicht. Üblicherweise startet der Serverprozess anschließend einen Kindprozess, zu dem er die Behandlung der Verbindung delegiert

Er selbst setzt dann seine Arbeit mit einer weiteren Accept-Anforderung an das Betriebssystem fort

Dadurch ist es möglich, dass ein Webserver mehrere Verbindungen von verschiedenen Rechnern annehmen kann

Mehrfaches listen auf demselben Port ist nicht möglich. Üblicherweise bestimmt das Programm auf der Clientseite den Port nicht selbst, sondern lässt ihn sich vom Betriebssystem zuweisen

Ports sind 16-Bit-Zahlen (Portnummern) und reichen von 0 bis 65535

Ports von 0 bis 1023 sind reserviert (Well Known Ports und werden von der IANA vergeben, z. B. ist Port 80 für das im WWW verwendete HTTP reserviert
Das Benutzen der vordefinierten Ports ist nicht bindend
So kann jeder Administrator beispielsweise einen FTP-Server (normalerweise Port 21) auch auf einem beliebigen anderen Port laufen lassen

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 darunterliegenden 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 Netz-Bandbreite auch bei großen Strecken möglich
Bei einer Übersee- oder Satellitenverbindung dauert das Eintreffen des ersten ACK-Signals aus technischen Gründen bisweilen mehrere 100 Millisekunden, 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

Anhang

Siehe auch

Dokumentation

RFC

RFC	Titel
793	Transmission Control Protocol
107	Berechnen der Prüfsumme für IP, UDP und TCP
1122	Fehlerbehebungen bei TCP
1323	Erweiterungen bei TCP
2018	TCP SACK – Selective Acknowledgment Options
3168	Explicit Congestion Notification
54829	TCP User Timeout Option
5681	TCP Congestion Control – TCP-Überlastkontrolle
7414	Übersicht zu TCP RFCs
7323	2014

Links

Weblinks

Congestion Avoidance and Control
Warriors of the net (Film zu TCP)