Transmission Control Protocol: Unterschied zwischen den Versionen

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Das '''Transmission Control Protocol''' ('''TCP''', ''Übertragungssteuerungsprotokoll'') ist ein Netzwerkprotokoll, das definiert, auf welche Art und Weise Daten zwischen Netzwerkkomponenten ausgetauscht werden sollen.
'''Transmission Control Protocol''' (TCP)
=Was ist TCP=
*Fast alle aktuelle Betriebssysteme beherrschen TCP (Nutzung für Datenaustausch mit anderen Rechnern)
*Das Protokoll ist ein zuverlässiges, verbindungsorientiertes, paketvermitteltes (nicht ''paketvermittelnd'') Transportprotokoll.


=Geschichte=
== Beschreibung ==
; Transportprotokoll
{| class="wikitable options"
|-
! Funktionen !! Beschreibung
|-
| Zuverlässig ||
|-
| Verbindungsorientiert ||
|-
| Datenströme || Übertragung von Datenströmen
|}


*Entwickelt von Robert E. Kahn und Vinton G. Cerf als Forschungsarbeit.
; TCP stell eine Verbindung zwischen zwei Endpunkten (Sockets) einer Netzverbindung her
*Beginn 1973, erste Standardisierung 1981 als [https://tools.ietf.org/html/rfc793 ''RFC 793''].
* Auf dieser Verbindung können in beide Richtungen Daten übertragen werden
*Danach gab es viele Erweiterungen, diese werden bis heute in RFCs spezifiziert.
* Unterschied zu UDP (verbindungslos [[Netzwerke:UDP | User Datagram Protokoll (UDP)]])


=Aufgabe=
; Vorteile
* [[Transmission Control Protocol/Überlastungskontrolle|Überlastungskontrolle]]
* Zuverlässige Datenübertragung
** erkennt verlorene, doppelte und fehlerhafte Segmente


=in Kürzung=
; Allgemeines
*Die Aufgabe von TCP ist es nicht, Pakete zu übertragen, sondern die Bytes eines Datenstroms.
* TCP ist im Prinzip eine Ende-zu-Ende-Verbindung in Vollduplex
*Die Paketvermittlung wird durch das Internetprotokoll (IP) bereitgestellt.
* Kann auch als zwei Halbduplexverbindungen betrachtet werden (Informationsfluss in beide Richtungen (allerdings nicht gleichzeitig))
*Daher ist IP paketvermittelnd aber TCP paketvermittelt.
* Die Daten in Gegenrichtung können zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten
*Es ist Teil der Internetprotokollfamilie, der Grundlage des Internets.
* 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 [https://tools.ietf.org/html/rfc793 ''RFC 793'']
* Danach gab es viele Erweiterungen, diese werden bis heute in RFCs spezifiziert


*Im Unterschied zum verbindungslosen User Datagram Protocol UDP (''User Datagram Protocol'') stellt TCP eine Verbindung zwischen zwei Endpunkten einer Netzverbindung (Socket (Software) Sockets) her.
== Das Transmission Control Protocol arbeitet auf dem OSI-04 ==
*Auf dieser Verbindung können in beide Richtungen Daten übertragen werden.
* TCP verwendet 16-Bit Portnummern zur Adressierung
*TCP setzt in den meisten Fällen auf das Internet Protocol IP (Internet-Protokoll) auf, weshalb häufig (und oft nicht ganz korrekt) auch vom „TCP/IP-Protokoll“ die Rede ist.  
* Zusätzlich zur Adressierung übernimmt es weitere Aufgaben
*In  Protokollstapeln wie dem  OSI-Modell sind TCP und IP nicht auf derselben Schicht angesiedelt.
* Verbindungsmanagement (Three-Way-Handshake)
*TCP ist eine Implementierung der Transportschicht.
* 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)


*Aufgrund seiner vielen positiven Eigenschaften (Datenverluste werden erkannt und automatisch behoben, Datenübertragung ist in beiden Richtungen möglich, Netzüberlastung wird verhindert usw.) ist TCP ein sehr weit verbreitetes Protokoll zur Datenübertragung.
=== TCP im DoD-Modell ===
*Beispielsweise wird TCP als fast ausschließliches Transportmedium für das  World Wide Web WWW,  E-Mail und viele andere populäre Netzdienste verwendet.
* Rolle von TCP im OSI-Referenzmodell


== Allgemeines ==
=== Eigenschaften von TCP ===
*TCP ist im Prinzip eine Ende-zu-Ende-Verbindung in  Vollduplex, welche die Übertragung der Informationen in beide Richtungen zulässt, analog zu einem Telefongespräch.
* Vollduplex-Verbindung
*Diese Verbindung kann auch als zwei  Duplex (Nachrichtentechnik) Halbduplexverbindungen, bei denen Informationen in beide Richtungen (allerdings nicht gleichzeitig) fließen können, betrachtet werden.
* stellt eine “byte pipe” zur Verfügung - unstrukturierter Datenstrom
*Die Daten in Gegenrichtung können dabei zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten. Die Verwaltung dieser Verbindung sowie die Datenübertragung werden von der TCP-Software übernommen.
* Folgenummern sind Bytenummern
*Die TCP-Software ist üblicherweise im Netz-Protokollstack des Betriebssystems angesiedelt.
* Sliding Window-Protokoll
*Anwendungsprogramme benutzen eine Schnittstelle dazu, meist  Socket (Software) Sockets, die sich (je nach Betriebssystem unterschiedlich) beispielsweise bei  Microsoft Windows in extra einzubindenden  Programmbibliotheken („ Winsock.dll“ bzw. „wsock32.dll“) befinden. 
* Variable Grösse des Sendefensters bestimmt durch das Maximum von:
*Linux und viele andere  Unixoides System unixoide Betriebssysteme enthalten einen Socketlayer im Betriebssystemkern.
* Angabe des Empfängers (receiver window size)
*Auf den Socketlayer wird über Systemaufrufe zugegriffen. Anwendungen, die TCP häufig nutzen, sind zum Beispiel  Webbrowser und  Webserver.
* Congestion window size, abhängig von einer lokalen Schätzung der Netzbelastung -> “Slow Start” Algorithmus


*Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte identifiziert.
== Basismechanismen ==
*Ein Endpunkt stellt ein  geordnetes Paar dar, bestehend aus  IP-Adresse und  Port (Protokoll) Port.  
* Unterteilt den byte stream in Einheiten
*Ein solches Paar bildet eine bidirektionale  Software-Schnittstelle und wird auch als  Socket (Software) Socket bezeichnet.
* die jeweils in einem IP Paket übertragen werden, diese Einheiten heißen Segmente
*Somit wird eine TCP-Verbindung durch vier Werte (einem Quadrupel) identifiziert:
* 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


(Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port y)
== 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


*Dabei kommt es auf das gesamte Quadrupel an.
== Verbindungen und Verbindungsendpunkte ==
*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.
* Eine TCP-Verbindung wird durch ein Paar von Adressen und Port-Nummern identifiziert (Verbindungsendpunkte):
*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.
* 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


Verbindung 1: (Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port y)
== Segmente, Datenströme und Sequenznummern ==
Verbindung 2: (Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port z)
* 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


*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.  
== Allgemeines ==
*Kommt dann die erste Verbindungsanfrage durch einen Client an, wird sie vom Betriebssystem angenommen, so dass die Verbindung zustande kommt.
TCP ist im Prinzip eine [[Ende-zu-Ende-Verbindung]] in [[Vollduplex]], welche die Übertragung der Informationen in beide Richtungen zulässt, analog zu einem Telefongespräch
*Ab jetzt wird diese Verbindung durch das oben beschriebene Quadrupel identifiziert.
* Diese Verbindung kann auch als zwei [[Duplex (Nachrichtentechnik)|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 [[Socket (Software)|Sockets]], die sich (je nach Betriebssystem unterschiedlich) beispielsweise bei [[Microsoft Windows]] in extra einzubindenden [[Programmbibliothek]]en („[[Winsock]].dll“ bzw. „wsock32.dll“) befinden. [[Linux]] und viele andere [[Unixoides System|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]]


*Schließlich wird der Serverprozess aufgeweckt und ihm ein Handle für diese Verbindung überreicht.
Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte identifiziert
*Üblicherweise startet der Serverprozess anschließend einen Kindprozess, zu dem er die Behandlung der Verbindung delegiert.
* Ein Endpunkt stellt ein [[geordnetes Paar]] dar, bestehend aus [[IP-Adresse]] und [[Port (Protokoll)|Port]]
*Er selbst setzt dann seine Arbeit mit einer weiteren ''Accept''-Anforderung an das Betriebssystem fort.
* Ein solches Paar bildet eine bidirektionale [[Software]]-Schnittstelle und wird auch als [[Socket (Software)|Socket]] bezeichnet
*Dadurch ist es möglich, dass ein Webserver mehrere Verbindungen von verschiedenen Rechnern annehmen kann.
* Somit wird eine TCP-Verbindung durch vier Werte (einem Quadrupel) identifiziert:
*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 Dualsystem 16-Bit-Zahlen (Portnummern) und reichen von 0 bis 65535.
(Lokaler Rechner, Lokaler Port, Entfernter Rechner, Entfernter Port)
*Ports von 0 bis 1023 sind reserviert und werden von der  Internet Assigned Numbers Authority IANA vergeben, z.B. ist Port 80 für das im  World Wide Web WWW verwendete Hypertext Transfer Protocol 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.


== Verbindungsaufbau und -abbau ==
Dabei kommt es auf das gesamte Quadrupel an
[[Datei:Tcp verbindung.png|mini|Abb. 2: Verwaltung der TCP-Verbindungen als endlicher Automat
* 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
Ein Server, der seinen  Netzwerkdienst Dienst  anbietet, erzeugt einen Endpunkt (Socket) mit der Portnummer und seiner IP-Adresse. Dies wird als  ''passive open'' oder auch als  ''listen'' bezeichnet.
* 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


Will ein Client eine Verbindung aufbauen, erzeugt er einen eigenen Socket aus seiner Rechneradresse und einer eigenen, noch freien Portnummer. Mit Hilfe eines ihm bekannten Ports und der Adresse des Servers kann dann eine Verbindung aufgebaut werden. Eine TCP-Verbindung ist durch folgende 4 Werte eindeutig identifiziert:
Verbindung 1: (Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port y)
* Quell-IP-Adresse
Verbindung 2: (Lokaler Rechner, Port x, Entfernter Rechner, Port z)
* Quell-Port
* Ziel-IP-Adresse
* Ziel-Port


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.
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


=== Halb geschlossene Verbindungen ===
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 [[Client]]seite den Port nicht selbst, sondern lässt ihn sich vom Betriebssystem zuweisen


Der Verbindungsabbau kann auf zwei Arten erfolgen: beidseitig oder schrittweise einseitig. Bei letzterer Variante spricht man von einer halb geschlossenen Verbindung (nicht zu verwechseln mit halb offenen Verbindungen, siehe unten). Sie erlaubt der Gegenseite nach der einseitigen Trennung noch Daten zu übertragen.
Ports sind [[Dualsystem|16-Bit-Zahlen]] (Portnummern) und reichen von 0 bis 65535
* Ports von 0 bis 1023 sind reserviert ([[Well Known Ports]] und werden von der [[Internet Assigned Numbers Authority|IANA]] vergeben, z. B. ist Port 80 für das im [[World Wide Web|WWW]] verwendete [[Hypertext Transfer Protocol|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


Halb geschlossene Verbindungen sind ein Erbe des Betriebssystems  Unix , in dessen Umfeld TCP entstanden ist. Entsprechend dem Grundsatz  '' everything is a file '' (dt. „''Alles ist eine Datei''“) unterstützt Unix bei TCP-Verbindungen eine zu  Pipe (Informatik) Pipes  völlig analoge Interaktion zweier Prozesse: für ein Programm soll es schlichtweg irrelevant sein, ob es von einer TCP-Verbindung oder einer Datei liest. Ein Unix-Programm liest typischerweise bis zum Ende der Standardeingabe und schreibt anschließend das Verarbeitungsergebnis in die Standardausgabe. Die Standard-Datenströme  werden vor Ausführung des Programms mit Dateien verbunden.
== Datenintegrität und Zuverlässigkeit ==
Im Gegensatz zum verbindungslosen [[User Datagram Protocol|UDP]] [[Implementation|implementiert]] TCP einen bidirektionalen, byte-orientierten, zuverlässigen Datenstrom zwischen zwei Endpunkten
* Das darunterliegende Protokoll ([[Internet Protocol|IP]]) ist paketorientiert, wobei [[Datenpaket]]e 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 [[Sequenznummer]]n sicher
* Der Sender [[Sendewiederholung|wiederholt]] das Senden von Paketen, falls keine Bestätigung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ([[Timeout (Netzwerktechnik)|Timeout]]) eintrifft
* Die Daten der Pakete werden beim Empfänger in einem [[Puffer (Informatik)|Puffer]] in der richtigen Reihenfolge zu einem Datenstrom zusammengefügt und doppelte Pakete verworfen


Die Hin- und Rückkanäle einer TCP-Verbindung werden mit Standardein- und -ausgabe verbunden und somit logisch als je eine Datei repräsentiert. Eine geschlossene Verbindung wird dem lesenden Prozess als erreichtes Dateiende übersetzt. Das angesprochene typische Unix-Verarbeitungsschema setzt voraus, dass die Verbindung in Rückrichtung nach dem Lesen des Dateiendes noch zum Schreiben bereitsteht, woraus der Bedarf für halb geschlossene Verbindungen resultiert.
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


=== Halb offene Verbindungen ===
=== 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 [[#Aufbau des TCP-Headers|TCP-Header]] des entgegengesetzten Datenstroms eingefügt werden (''piggybacking''), falls der Empfänger ebenfalls Daten für den Sender bereithält


Eine Verbindung ist halb offen, wenn eine Seite abstürzt, ohne dass die verbleibende Seite dies erfährt. Dies hat den unerwünschten Effekt, dass Betriebssystemressourcen nicht freigegeben werden. Halb offene Verbindungen können entstehen, weil TCP-Verbindungen von Protokollseite solange bestehen, bis sie abgebaut werden. Häufig werden jedoch von Anwendungsseite entsprechende Vorkehrungen getroffen.
<noinclude>


=== Verbindungsaufbau ===
== Anhang ==
[[Datei:Tcp-handshake.svg|mini|Abb. 3: TCP-Handshake]]
=== Siehe auch ===
{{Special:PrefixIndex/Transmission Control Protocol}}
----
* [[Liste der standardisierten Ports]]
* [[Stream Control Transmission Protocol]] (SCTP)


Der Client, der eine Verbindung aufbauen will, sendet dem Server ein ''SYN''-Paket (von enS ''synchronize'') mit einer  Sequenznummer  ''x''. Die Sequenznummern sind dabei für die Sicherstellung einer vollständigen Übertragung in der richtigen Reihenfolge und ohne Duplikate wichtig. Es handelt sich also um ein Paket, dessen ''SYN-Bit'' im Paketkopf gesetzt ist (siehe  #Aufbau des TCP-Headers TCP-Header ). Die Start-Sequenznummer ist eine beliebige Zahl, deren Generierung von der jeweiligen TCP-Implementierung abhängig ist. Sie sollte jedoch möglichst  Zufallszahl zufällig  sein, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden.
=== Dokumentation ===
 
==== RFC ====
Der Server (siehe Skizze) empfängt das Paket. Ist der Port geschlossen, antwortet er mit einem TCP-RST, um zu signalisieren, dass keine Verbindung aufgebaut werden kann. Ist der Port geöffnet, bestätigt er den Erhalt des ersten SYN-Pakets und stimmt dem Verbindungsaufbau zu, indem er ein SYN/ACK-Paket zurückschickt ( ACK (Signal) ACK  von engl.   ''acknowledgement'' ‚Bestätigung‘). Das gesetzte ACK-Flag im TCP-Header kennzeichnet diese Pakete, welche die Sequenznummer ''x+1'' des SYN-Pakets im Header enthalten. Zusätzlich sendet er im Gegenzug seine Start-Sequenznummer ''y'', die ebenfalls beliebig und unabhängig von der Start-Sequenznummer des Clients ist.
{| class="wikitable sortable options"
 
|-
Der Client bestätigt zuletzt den Erhalt des SYN/ACK-Pakets durch das Senden eines eigenen ACK-Pakets mit der Sequenznummer ''x+1''. Dieser Vorgang wird auch als „Forward Acknowledgement“ bezeichnet. Aus Sicherheitsgründen sendet der Client den Wert ''y+1'' (die Sequenznummer des Servers + 1) im ACK-Segment zurück. Die Verbindung ist damit aufgebaut. Im folgenden Beispiel wird der Vorgang abstrakt dargestellt:
! RFC !! Titel
 
|-
{| style="text-align:center"
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc793 793] || Transmission Control Protocol
|-
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc1071 107] || Berechnen der Prüfsumme für IP, UDP und TCP
|-
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc1122 1122] || Fehlerbehebungen bei TCP
|-
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc1323 1323] || Erweiterungen bei TCP
|-
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc2018 2018] || TCP SACK – Selective Acknowledgment Options
|-
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc3168 3168] || Explicit Congestion Notification
|-
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc5482 54829] || TCP User Timeout Option
|-
|-
|width="60px"| 1. || SYN-SENT ||width="60px"| → || <SEQ=100><CTL=SYN> ||width="60px"| → || SYN-RECEIVED
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc5681 5681] || TCP Congestion Control – TCP-Überlastkontrolle
|-
|-
| 2. || SYN/ACK-RECEIVED || ← || <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK> || ← || SYN/ACK-SENT
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc7414 7414] || Übersicht zu TCP RFCs
|-
|-
| 3. || ACK-SENT || → || <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> || → || ESTABLISHED
| [https://www.rfc-editor.org/info/rfc7323 7323] || 2014
|}
|}


Einmal aufgebaut, ist die Verbindung für beide Kommunikationspartner gleichberechtigt, man kann einer bestehenden Verbindung auf TCP-Ebene nicht ansehen, wer der Server und wer der Client ist. Daher hat eine Unterscheidung dieser beiden Rollen in der weiteren Betrachtung keine Bedeutung mehr.
=== Links ===
 
==== Weblinks ====
=== Verbindungsabbau ===
# [http://www.cs.berkeley.edu/~brewer/cs262/cong-avoid.pdf Congestion Avoidance and Control]
[[Datei:TCP-Teardown.svg|mini|Abb. 4: TCP-Teardown]]
# [http://www.warriorsofthe.net/ Warriors of the net] (Film zu TCP)
 
Der geregelte Verbindungsabbau erfolgt ähnlich. Statt des SYN-Bits kommt das FIN-Bit (von engl.  ''finish'' ‚Ende‘, ‚Abschluss‘) zum Einsatz, welches anzeigt, dass keine Daten mehr vom Sender kommen werden. 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.
 
Zudem ist ein verkürztes Verfahren möglich, bei dem FIN und ACK genau wie beim Verbindungsaufbau im selben Paket untergebracht werden. Die  ''maximum segment lifetime'' (MSL) ist die maximale Zeit, die ein Segment im Netzwerk verbringen kann, bevor es verworfen wird. Nach dem Senden des letzten ACKs wechselt der Client in einen zwei MSL andauernden Wartezustand (  ''wait state''), in dem alle verspäteten Segmente verworfen werden. Dadurch wird sichergestellt, dass keine verspäteten Segmente als Teil einer neuen Verbindung fehlinterpretiert werden können. Außerdem wird eine korrekte Verbindungsterminierung sichergestellt. Geht ACK ''y+1'' verloren, läuft beim Server der Timer ab, und das LAST_ACK-Segment wird erneut übertragen.
 
=== Puffer ===
Beim Versenden von Daten über das TCP werden zwei  Puffer (Informatik) Puffer  verwendet. Senderseitig übermittelt die Applikation die zu sendenden Daten an das TCP und dieses puffert die Daten, um mehrere kleine Übertragungen effizienter in Form einer einzigen großen zu senden. Nachdem die Daten dann an den Empfänger übermittelt wurden, landen sie im empfängerseitigen Puffer. Dieser verfolgt ähnliche Ziele. Wenn vom TCP mehrere einzelne Pakete empfangen wurden, ist es besser, diese zusammengefügt an die Applikation weiterzugeben.
 
=== Drei-Wege-Handschlag ===
Sowohl beim Verbindungsaufbau als auch beim Verbindungsabbau werden die Antworten auf das erste SYN- bzw. FIN-Paket typischerweise zu einem einzelnen Paket (SYN/ACK bzw. FIN/ACK) zusammengefasst – theoretisch wäre auch das Versenden zweier separater Pakete denkbar. Da in diesem Fall nur noch drei Pakete versendet werden müssen, spricht man auch häufig vom sogenannten  Drei-Wege-Handschlag .
Das Zusammenfassen des FIN-Pakets und des ACK-Pakets ist allerdings problematisch, da das Senden eines FIN-Pakets die Bedeutung hat „es folgen keine weiteren Daten mehr“. Allerdings kann der Sender des FIN-Pakets weiterhin Daten empfangen (wollen); man spricht von einer halb geschlossenen Verbindung (die Empfangsrichtung ist weiterhin offen, während die Senderichtung geschlossen wurde). Es wäre z.&nbsp;B. denkbar, den Beginn einer HTTP-Anfrage (''HTTP-Request'') direkt im SYN-Paket mitzuschicken, weitere Daten, sobald die Verbindung aufgebaut wurde, und im letzten HTTP-Request-Paket die (Senderichtung der) Verbindung gleich mittels FIN zu schließen. In der Praxis wird dieses Verfahren allerdings nicht angewendet. Würde der Browser die Verbindung auf diese Art sofort schließen, würde möglicherweise auch der Server die Verbindung schließen anstatt die Anfrage vollständig zu beantworten.
 
== Aufbau des TCP-Headers ==
=== Allgemeines ===
Das TCP-Segment besteht immer aus zwei Teilen: dem  Header  und der Nutzlast (enS ''payload''). Die Nutzlast enthält die zu übertragenden Daten, die wiederum Protokollinformationen der Anwendungsschicht, wie  Hypertext Transfer Protocol HTTP  oder  File Transfer Protocol FTP , entsprechen können. Der Header enthält für die Kommunikation erforderliche Daten sowie die Dateiformat-beschreibende Information. Den schematischen Aufbau des TCP-Headers kann man in Abbildung 5 sehen. Da das Options-Feld in der Regel nicht genutzt wird, hat ein typischer Header eine Größe von 20&nbsp;Byte. Die Werte werden in der  Byte-Reihenfolge  Big-Endian  angegeben.
 
=== Erläuterung ===
[[Datei:TCP Header.svg|mini|Abb. 5: Aufbau des TCP-Headers]]
 
;  ''Source Port'' (Quellport) (2 Byte)
: Gibt die ''Portnummer'' auf der Senderseite an.
;  ''Destination Port'' (Zielport) (2 Byte)
: Gibt die ''Portnummer'' auf der Empfängerseite an.
;  ''Sequence Number'' (4 Byte)
: '' Sequenznummer '' des ersten Daten- Oktett (Informatik) Oktetts  (''Byte'') dieses TCP-Pakets 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.
;  ''Acknowledgement Number'' (Quittierungsnummer) (4 Byte)
: Sie gibt die '' Sequenznummer '' an, die der Absender dieses TCP-Segmentes als Nächstes erwartet. ''Sie ist nur gültig, falls das  ACK (Signal) ACK-Flag  gesetzt ist.''
;  ''Data Offset'' (4 Bit)
: ''Länge des TCP-Headers'' in 32-Bit-Blöcken – ohne die Nutzdaten (''Payload''). Hiermit wird die Startadresse der Nutzdaten angezeigt.
; Reserved (4 Bit)
: Das ''Reserved''-Feld ist für zukünftige Verwendungen reserviert. Alle Bits müssen null sein.
; Control- Flag (Informatik) Flags  (8 Bit)
: Sind zweiwertige Variablen mit den möglichen Zuständen ''gesetzt'' und ''nicht gesetzt'', die zur Kennzeichnung bestimmter für die Kommunikation und Weiterverarbeitung der Daten wichtiger Zustände benötigt werden. Im Folgenden werden die Flags des TCP-Headers und die von ihrem Zustand abhängigen, auszuführenden Aktionen beschrieben.
:; CWR und ECE
:: sind zwei Flags, die für  Explicit Congestion Notification  (ECN) benötigt werden. Mit gesetztem ECE-Bit (ECN-Echo) teilt der Empfänger dem Sender mit, dass das Netzwerk überlastet ist und die Senderate reduziert werden muss. Hat der Sender das getan, teilt er dies dem Empfänger durch Setzen des CWR-Bit (''  Congestion Window Reduced'') mit.
:; URG
:: Ist das Urgent-Flag ''(urgent = dringend)'' gesetzt, so werden die Daten nach dem Header sofort von der Anwendung bearbeitet. Dabei unterbricht die Anwendung die Verarbeitung der Daten des aktuellen TCP-Segments und liest alle Bytes nach dem Header bis zu dem Byte, auf das das ''Urgent- Zeiger (Informatik) Pointer ''-Feld zeigt, aus. Dieses Verfahren ist fern verwandt mit einem  Softwareinterrupt . Dieses Flag kann zum Beispiel verwendet werden, um eine Anwendung auf dem Empfänger abzubrechen. Das Verfahren wird nur äußerst selten benutzt, Beispiele sind die bevorzugte Behandlung von CTRL-C (Abbruch) bei einer Terminalverbindung über  Remote login rlogin  oder  telnet .
:: In der Regel wird dieses Flag nicht ausgewertet.
:; ACK
:: Das ''Acknowledgment''-Flag hat in Verbindung mit der ''Acknowledgment''-Nummer die Aufgabe, den Empfang von TCP-Segmenten beim Datentransfer zu bestätigen. Die ''Acknowledgment''-Nummer ist nur gültig, wenn das Flag gesetzt ist.
:; PSH
:: RFC 1122 und RFC 793 spezifizieren das ''Push''-Flag so, dass bei gesetztem Flag sowohl der ausgehende, als auch der eingehende Puffer übergangen wird. Da man bei TCP keine Datagramme versendet, sondern einen Datenstrom hat, hilft das PSH-Flag, den Strom effizienter zu verarbeiten, da die empfangende Applikation so gezielter aufgeweckt werden kann und nicht bei jedem eintreffenden Datensegment feststellen muss, dass Teile der Daten noch nicht empfangen wurden, die aber nötig wären, um überhaupt weitermachen zu können.
:: Hilfreich ist dies, wenn man zum Beispiel bei einer  Telnet -Sitzung einen Befehl an den Empfänger senden will. Würde dieser Befehl erst im Puffer zwischengespeichert werden, so würde dieser (stark) verzögert abgearbeitet werden.
:: Das PSH-Flag kann, abhängig von der TCP-Implementation im Verhalten zu obiger Erklärung abweichen.
:; RST
:: Das ''Reset''-Flag wird verwendet, wenn eine Verbindung abgebrochen werden soll. Dies geschieht zum Beispiel bei technischen Problemen oder zur Abweisung unerwünschter Verbindungen (wie etwa nicht geöffneten Ports, hier wird – anders als bei UDP – kein ICMP-Paket mit „Port Unreachable“ verschickt).
:; SYN
:: Pakete mit gesetztem SYN-Flag initiieren eine Verbindung. 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 Schlussflag (''finish'') 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.
;  RWin (Receive) Window  (2 Byte)
: Ist – nach Multiplikation mit dem  RWin#TCP Window Scale Option Fensterskalierungsfaktor  – die Anzahl der Daten- Oktett (Informatik) Oktetts  (''Bytes''), beginnend bei dem durch das ''Acknowledgementfeld'' indizierten Daten-Oktett, die der Sender dieses TCP-Pakets bereit ist zu empfangen.
; Checksum (2 Byte)
: Die '' Prüfsumme '' dient zur Erkennung von Übertragungsfehlern und wird über den TCP-Header, die Daten und einen Pseudo-Header berechnet. Dieser Header besteht aus der Ziel-IP, der Quell-IP, der TCP-Protokollkennung (0x0006) und der Länge des TCP-Headers inkl. Nutzdaten (in Bytes).
;  ''Urgent Pointer'' (2 Byte)
: Zusammen mit der Sequenz-Nummer gibt dieser Wert die Position des ersten Bytes ''nach'' den Urgent-Daten im Datenstrom an. Die Urgent-Daten beginnen sofort nach dem Header. Der Wert ist nur gültig, wenn das URG-Flag gesetzt ist.
; Options (0–40 Byte)
: 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 Nullbits aufgefüllt werden (  ''Padding''). Dieses Feld ermöglicht, Verbindungsdaten auszuhandeln, die nicht im TCP-Header enthalten sind, wie zum Beispiel die Maximalgröße des Nutzdatenfeldes.
 
== Datenübertragung ==
[[Datei:Tcp daten.svg|mini|Abb. 6: Segmentierung der Nutzdaten]]
 
=== TCP-/IP-Segment-Größe ===
Ein TCP-Segment hat typischerweise eine Größe von maximal 1500&nbsp;Bytes. Ein TCP-Segment muss jedoch in die darunter liegende Übertragungsschicht passen, das  Internetprotokoll  (IP); siehe hierzu auch  Maximum Transmission Unit  (MTU).
 
IP-Paket e wiederum sind zwar theoretisch bis 65.535&nbsp;Bytes (64&nbsp; Kibibyte KiB ) spezifiziert, werden aber selbst meist über  Ethernet  übertragen, und bei Ethernet ist die Größe der (Layer-3-)Nutzdaten (wenn man von '' Jumbo Frames '' absieht) auf 64 (ggf. inklusive Padding) bis 1500&nbsp;Bytes festgelegt. TCP- und IP-Protokoll definieren jeweils einen Header von 20&nbsp;Bytes Größe. Für die (Applikations-)Nutzdaten bleiben in einem TCP/IP-Paket also 1460&nbsp;Bytes (=&nbsp;1500&nbsp;Bytes&nbsp;Ethernet-[Nutzdaten] −&nbsp;20&nbsp;Bytes Headerdaten TCP −&nbsp;20&nbsp;Bytes Headerdaten IP) übrig. Da die meisten Internet-Anschlüsse  Digital Subscriber Line DSL  verwenden, kommt dort zusätzlich noch das  Point-to-Point Protocol Point-to-Point Protocol (PPP)  zwischen IP und Ethernet zur Anwendung, was weitere 8&nbsp;Bytes für den PPP-Rahmen verbraucht. Die Nutzdaten reduzieren sich also auf insgesamt 1500&nbsp;− 20&nbsp;− 20&nbsp;− 8 =&nbsp;1452&nbsp;Bytes  Maximum Segment Size MSS  (Maximum Segment Size). Dies entspricht einer maximalen Nutzdatenrate von 96,8 %.
 
=== Aufteilen der Anwendungsdaten auf TCP-/IP-Segmente ===
Empfänger und Sender einigen sich vor dem Datenaustausch über das Options-Feld auf die Größe der  Maximum Segment Size MSS . Die Anwendung, die Daten versenden möchte, etwa ein Webserver, legt zum Beispiel einen 7&nbsp;Kilobyte großen Datenblock im Puffer ab.
Um mit einem 1460&nbsp;Byte großen Nutzdatenfeld 7&nbsp;Kilobyte Daten zu versenden, teilt die TCP-Software die Daten auf mehrere Pakete auf, fügt einen TCP-Header hinzu und versendet die TCP-Segmente. Dieser Vorgang wird Segmentierung genannt. Der Datenblock im Puffer wird in fünf Segmente aufgeteilt (siehe Abb.&nbsp;6). Jedes Segment erhält durch die TCP-Software einen TCP-Header. Die TCP-Segmente werden nacheinander abgeschickt. Diese kommen beim Empfänger nicht notwendigerweise in derselben Reihenfolge an wie sie versendet wurden, da im Internet unter Umständen jedes TCP-Segment einen anderen Weg nimmt. Damit die TCP-Software im Empfänger die Segmente wieder sortieren kann, ist jedes Segment nummeriert. Bei der Zuordnung der Segmente im Empfänger wird die Sequenznummer herangezogen.
 
[[Datei:Tcp transfer.png|mini|Abb. 7: Beispiel eines Datentransfers]]
 
Die TCP-Software des Empfängers bestätigt diejenigen TCP-Segmente, die einwandfrei (das heißt mit korrekter Prüfsumme) angekommen sind. Andernfalls werden die Pakete neu angefordert.
 
=== Beispiel einer TCP-/IP-Datenübertragung ===
Der Sender schickt sein erstes TCP-Segment mit einer Sequenznummer SEQ=1 (variiert) und einer Nutzdatenlänge von 1460&nbsp;Bytes 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 1–5, so braucht er nur das letzte TCP-Segment zu bestätigen. Fehlt zum Beispiel das TCP-Segment 3, weil es verlorengegangen 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 fünf TCP-Segmente, sofern beide Seiten die TCP-Option SACK (Selective ACK) unterstützen. Der Sender startet für jedes TCP-Segment, welches er auf die Reise schickt, einen Retransmission Timer.
 
=== Retransmission Timer ===
Zur Feststellung, wann ein Paket im Netzwerk verloren gegangen ist, wird vom Sender ein  Timeout (Netzwerktechnik) Timeout  verwendet, bis zu dem das ACK der Gegenseite eingetroffen sein muss. Ein zu niedriger Timeout bewirkt, dass Pakete, die eigentlich korrekt angekommen sind, wiederholt werden; ein zu hoher Timeout bewirkt, dass bei tatsächlichen Verlusten das zu wiederholende Paket unnötig spät gesendet wird.
Aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten der zugrundeliegenden IP-Pakete ist nur ein dynamisch an die Verbindung angepasster Timer sinnvoll. Die Details werden in RFC 6298 wie folgt festgelegt:
* Der Timeout (RTO = Retransmission Timeout) berechnet sich aus zwei beim Sender mitgeführten Statusvariablen:
** der geschätzten  Round Trip Time  (SRTT = Smoothed RTT)
** sowie deren  Varianz (Stochastik) Varianz  (RTTVAR).
* Initial wird geschätzt, dass RTO = 1s (um die Kompatibilität mit der älteren Version des Dokuments zu schaffen sind auch Werte > 1s möglich.)
* Nach der Messung der RTT des ersten gesendeten Pakets wird gesetzt:
** SRTT:= RTT
** RTTVAR:= 0,5 * RTT
** RTO:= RTT + 4 * RTTVAR (Sollte 4 * RTTVAR kleiner sein als die Messgenauigkeit des Timers, wird stattdessen diese addiert.)
* Bei jeder weiteren Messung der RTT' werden die Werte aktualisiert (hierbei muss RTTVAR vor SRTT berechnet werden):
** RTTVAR:= (1-β) * RTTVAR + β *  SRTT – RTT'  (Auch die Varianz wird mit einem Faktor β geglättet; da die Varianz eine durchschnittliche Abweichung angibt (welche immer positiv ist), wird hier der Betrag der Abweichung von geschätzter und tatsächlicher RTT' verwendet, nicht die einfache Differenz. Es wird empfohlen, β = 1/4 zu wählen.)
** SRTT:= (1-α) * SRTT + α * RTT' (Es wird somit nicht einfach die neue RTT' gesetzt, sondern diese mit einem Faktor α geglättet. Es wird empfohlen, α = 1/8 zu wählen.)
** RTO:= SRTT + 4 * RTTVAR (Sollte 4*RTTVAR kleiner sein als die Messgenauigkeit des Timers, wird stattdessen diese addiert. Für den RTO gilt – unabhängig von der Berechnung – ein Minimalwert von 1&nbsp;s; es darf auch ein Maximalwert vergeben werden, sofern dieser mindestens 60&nbsp;s beträgt.)
 
Durch die Wahl von 2er-Potenzen (4 bzw. 1/2, 1/4 etc.) als Faktoren, können die Berechnungen in der Implementierung durch einfache  Bitweiser Operator#Bitweise Verschiebungen Shift-Operationen  realisiert werden.
 
Zur Messung der RTT muss der  Karn-Algorithmus  von  Phil Karn  verwendet werden; d.&nbsp;h., es werden nur diejenigen Pakete zur Messung verwendet, deren Bestätigung eintrifft, ohne dass das Paket zwischendurch erneut gesendet wurde. Der Grund dafür ist, dass bei einer erneuten Übertragung nicht klar wäre, welches der wiederholt gesendeten Pakete tatsächlich bestätigt wurde, so dass eine Aussage über die RTT eigentlich nicht möglich ist.
 
Wurde ein Paket nicht innerhalb des Timeouts bestätigt, so wird der RTO verdoppelt (sofern er noch nicht die optionale obere Schranke erreicht hat). In diesem Fall dürfen (ebenfalls optional) die für SRTT und RTTVAR gefundenen Werte auf ihren Anfangswert zurückgesetzt werden, da sie möglicherweise die Neuberechnung der RTO stören könnten.
 
=== Zusammenhang von Flusssteuerung und Staukontrolle ===
In den folgenden zwei Abschnitten werden die TCP-Konzepte zur Flusssteuerung und Staukontrolle (oder Überlaststeuerung) erläutert. Dabei werden das '' Sliding Window '' und das '' Congestion Window '' eingeführt. Der Sender wählt als tatsächliche Sendefenstergröße das Minimum aus beiden Fenstern. Um eine zuverlässige Datenübertragung durch Sendewiederholungen zu gewährleisten, werden sogenannte '' ARQ-Protokoll e'' (englisch Automatic Repeat reQuest, dt. Automatische Wiederholungsanfrage) eingesetzt.
 
=== Flusssteuerung ===
[[Datei:Sliding window.svg|mini|Abb. 8: Sliding Window]]
 
Da die Anwendung Daten aus dem Puffer liest, ändert sich der Füllstand des Puffers ständig. Deshalb ist es notwendig, den Datenfluss dem Füllstand entsprechend zu steuern. Dies geschieht mit dem '' Sliding Window '' und dessen Größe.
Den Puffer 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.&nbsp;7. Obwohl der Puffer 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. Ausnahmen sind jedoch TCP-Segmente mit gesetztem URG-Flag. Mit dem  RWin 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 Puffer. Die Anwendung des Empfängers liest nun die Segmente 1–5 aus dem Puffer, womit wieder ein Speicherplatz von 7300&nbsp;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 fünf TCP-Segmente an den Empfänger schicken kann, und verschiebt das Window um fünf 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 Puffer voll ist. Die Anwendung beim Empfänger liest allerdings nur zwei Byte aus dem Puffer. Der Empfänger schickt einen 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 Puffer des Empfängers wieder voll, und er schickt wieder ein ''Zero Window'' an den Sender. Die Anwendung liest jetzt zum Beispiel hundert Byte aus dem Puffer. Der Empfänger schickt wieder einen 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'' sendet und so lange mit dem ''Window Update'' warten soll, bis die Anwendung mindestens die maximale Segmentgröße (maximum segment size, in unseren bisherigen Beispielen 1460&nbsp;Byte) aus dem Puffer gelesen hat oder der Puffer 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.
 
=== Überlaststeuerung/Staukontrolle (Congestion Control) ===
Im Internet, in dem viele Netze 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  Internet Protocol IP-Netzwerk  ständig beobachtet. Abhängig von der Verlustrate wird die Senderate durch geeignete  Algorithmus 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 dann ungefähr dort. Eine Überbelastung wird vermieden.
 
==== Algorithmus zur Überlaststeuerung ====
Gehen bei einer bestimmten Fenstergröße Pakete verloren, kann das festgestellt werden, wenn der Sender innerhalb einer bestimmten Zeit ( Timeout (Netzwerktechnik) Timeout ) keine Bestätigung (ACK) erhält. Man muss davon ausgehen, dass das Paket aufgrund zu hoher Netzlast von einem  Router  im Netz verworfen wurde. Das heißt, der Puffer eines Routers ist vollgelaufen; es handelt sich hier sozusagen um einen Stau im Netz. Um den Stau aufzulösen, müssen alle beteiligten Sender ihre Netzlast reduzieren. Dazu werden im RFC 2581 vier Algorithmen definiert: ''slow start'', ''congestion avoidance'', ''fast retransmit'' und ''fast recovery'', wobei ''slow start'' und ''congestion avoidance'' zusammen verwendet werden. Die zwei Algorithmen ''fast retransmit'' und ''fast recovery'' werden auch zusammen verwendet und sind eine Erweiterung der Algorithmen ''slow start'' und ''congestion avoidance''.
 
==== Slow Start Slow Start und Congestion Avoidance ====
[[Datei:TCPSlowStartundCongestionAvoidance.svg|mini|Grafische Darstellung des Slow-Start-Algorithmus]]
Zu Beginn einer Datenübertragung dient der Slow-Start-Algorithmus zur Bestimmung des ''congestion window'' (wörtlich: Überlastfenster), um einer möglichen Überlastsituation vorzubeugen. Man möchte Staus vermeiden, und da die momentane Auslastung des Netzes nicht bekannt ist, wird mit zunächst kleinen Datenmengen begonnen. Der Algorithmus startet mit einem kleinen Fenster von einer  Maximum Segment Size MSS  (Maximum Segment Size), in dem Datenpakete vom Sender zum Empfänger übertragen werden.
 
Der Empfänger sendet nun eine Bestätigung (ACK) an den Sender zurück. Für jedes empfangene ACK wird die Größe des ''congestion window'' um eine MSS erhöht. Da für jedes versandte Paket bei erfolgreicher Übertragung ein ACK geschickt wird, führt dies innerhalb einer Roundtrip-Zeit zu einer Verdopplung des Congestion Windows. In dieser Phase gibt es also ein exponentielles Wachstum. Wenn das Fenster beispielsweise das Versenden von zwei Paketen gestattet, so erhält der Sender auch zwei ACKs und erhöht das Fenster daher um 2 auf 4. Dieses exponentielle Wachstum wird so lange fortgesetzt, bis der sogenannte ''Slow-Start Threshold'' erreicht wird (engl.  ''threshold'' ‚Schwelle‘). Die Phase des exponentiellen Wachstums wird auch ''Slow Start Phase'' genannt.
 
Danach wird das Congestion Window nur noch um eine MSS erhöht, wenn alle Pakete aus dem Fenster erfolgreich übertragen wurden. Es wächst also pro Roundtrip-Zeit nur noch um eine MSS, also nur noch linear. Diese Phase wird als ''Congestion Avoidance Phase'' bezeichnet. Das Wachstum wird beendet, wenn das vom Empfänger festgelegte Empfangsfenster erreicht worden ist (siehe Fluss-Steuerung).
 
Kommt es zu einem Timeout, wird das  ''congestion window'' wieder auf 1 zurückgesetzt, und der  ''slow-start threshold'' wird auf die Hälfte der Flight Size (Flight Size ist die Anzahl an Paketen, die verschickt, aber noch nicht quittiert wurden) herabgesetzt. Die Phase des exponentiellen Wachstums wird also verkürzt, so dass das Fenster bei häufigen Paketverlusten nur langsam wächst.
 
==== Fast-Retransmit und Fast-Recovery ====
''Fast-Retransmit'' und ''Fast-Recovery'' („schnelles Erholen“) 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 und somit dazwischen ein Paketverlust vorliegt. Hierfür bestätigt der Empfänger das letzte korrekte Paket erneut für jedes weitere ankommende Paket außer der Reihe. Man spricht dabei von ''Dup-Acks'' (  ''duplicate acknowledgments''), also mehrere aufeinanderfolgende Nachrichten, welche dasselbe Datensegment ACKen. Der Sender bemerkt die duplizierten Bestätigungen, und nach dem dritten Duplikat sendet er sofort, vor Ablauf des Timers, das verlorene Paket erneut. Weil nicht auf den Ablauf des Timers gewartet werden muss, heißt das Prinzip  ''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 um die Anzahl der Dup-Acks erhöht werden, denn jedes steht für ein weiteres Paket, welches den Empfänger erreicht hat, wenn auch außer der Reihe. Da dadurch nach dem Fehler schneller wieder die volle Sendeleistung erreicht wird, nennt man das Prinzip  ''Fast-Recovery''.


[[Kategorie:Netzwerke]]
[[Kategorie:TCP]]
</noinclude>

Aktuelle Version vom 28. Januar 2024, 14:54 Uhr

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
Vorteile
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

  1. Congestion Avoidance and Control
  2. Warriors of the net (Film zu TCP)
Abgerufen von „https://wiki.foxtom.de/index.php?title=Transmission_Control_Protocol&oldid=92318“