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| = Konfiguration = | | = Konfiguration = |
| == Dateien == | | == Dateien == |
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| = Anwendungen =
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| == TCP-Verbindung ==
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| * Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte identifiziert.
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| ** Ein Endpunkt stellt ein geordnetes Paar dar (IP-Adresse und Port).
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| ** Ein solches Paar bildet eine bidirektionale Software-Schnittstelle (Socket).
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| TCP-Verbindungen werden durch vier Werte (einem Quadrupel) eindeutig identifiziert:
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| (Quell-IP-Adresse, Quell-Port, Ziel-IP-Adresse, Ziel-Port)
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| === Beispiel ===
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| # Ein Serverprozess erzeugt einen Socket auf Port 80 (''bind'').
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| #* Markiert diesen für eingehende Verbindungen (''listen'').
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| #* Fordert vom Betriebssystem die nächste anstehende Verbindung an (''accept'').
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| #* Diese Anforderung blockiert den Serverprozess zunächst, da noch keine Verbindung existiert.
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| # Die erste Verbindungsanfrage kommt und wird vom Betriebssystem angenommen, die Verbindung kommt zustande.
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| # Jetzt wird diese Verbindung durch das Quadrupel identifiziert.
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| ## Der Serverprozess wird aufgeweckt und ihm ein Handle für diese Verbindung überreicht.
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| ## Üblich startet der Serverprozess einen Kindprozess, dem er die Behandlung der Verbindung delegiert.
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| ## Der Serverprozess fährt mit einer weiterer ''Accept''-Anforderung an das Betriebssystem fort.
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| * Dadurch ist es möglich, dass ein Webserver mehrere Verbindungen von verschiedenen Rechnern annehmen kann.
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| === Ports ===
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| * Portnummern sind Dualsystem 16-Bit-Zahlen und reichen von 0 bis 65535.
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| * Ports von 0 bis 1023 sind reserviert
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| ** Vergeben von '''I'''nternet '''A'''ssigned '''N'''umbers '''A'''uthority (IANA)
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| ** z.B. ist Port 80 für '''H'''yper'''t'''ext '''T'''ransfer '''P'''rotocol (HTTP) reserviert.
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| * Das Benutzen der vordefinierten Ports ist nicht bindend.
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| ** Jeder Administrator kann bspw. einen FTP-Server (normalerweise Port 21) auch auf einem beliebigen Port laufen lassen.
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| * Mehrfaches ''listen'' auf demselben Port ist nicht möglich.
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| == Verbindungsverwaltung ==
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| === Allgemein ===
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| Ein Server, der seinen Dienst anbietet, erzeugt einen Endpunkt (Socket) mit der Portnummer und seiner IP-Adresse.
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| * Bezeichnet als "''passive open''" oder "''listen''".
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| Ein Client, der eine Verbindung aufbauen will, erzeugt einen Endpunkt (Socket) mit seiner IP-Adresse und einer eigenen, noch freien Portnummer.
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| * Mit der Adresse des Servers und dem Port kann dann eine Verbindung aufgebaut werden.
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| Während der Datenübertragungsphase sind die Rollen von Client und Server (aus TCP-Sicht) vollkommen symmetrisch.
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| * Bezeichnet als "''active open''"
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| Jeder der beiden beteiligten Rechner einen Verbindungsabbau einleiten.
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| === Verbindungsaufbau ===
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| [[Datei:Tcp-handshake.svg|mini|500px| TCP-Handshake]]
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| # Der Client sendet dem Server ein ''SYN''-Paket mit einer Sequenznummer ''x''.
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| #*Die Sequenznummern sind für die Sicherstellung einer vollständigen Übertragung in der richtigen Reihenfolge und ohne Duplikate wichtig.
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| #*Ein Paket, dessen ''SYN-Bit'' im Header gesetzt ist.
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| #*Die Start-Sequenznummer ist eine beliebige zufällige Zahl, abhängig von der TCP-Implementierung.
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| # Der Server empfängt das Paket und antwortet.
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| #*Port geschlossen, antwortet er mit einem TCP-RST, ein Signal, dass keine Verbindung aufgebaut werden kann.
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| #*Port geöffnet, bestätigt er den Erhalt des ersten SYN-Pakets und stimmt dem Verbindungsaufbau zu, indem er ein SYN/ACK-Paket zurückschickt.
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| #**Ein Paket, mit ACK-Flag im TCP-Header, welche die Sequenznummer ''x+1'' des SYN-Pakets im Header enthält.
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| #**Der Server sendet im Gegenzug seine Start-Sequenznummer ''y'', diese ist unabhängig von der Start-Sequenznummer des Clients.
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| # Der Client bestätigt den Erhalt des SYN/ACK-Pakets durch ein eigenes ACK-Pakets mit der Sequenznummer ''x+1''.
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| #*Wird auch als „Forward Acknowledgement“ bezeichnet.
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| #*Aus Sicherheitsgründen sendet der Client die Sequenznummer des Servers + 1 im ACK-Segment zurück.
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| # Die Verbindung ist damit aufgebaut.
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| ==== Verbindungsaufbau Beispiel ====
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| {| class="wikitable"
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| |-
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| |width="60px"| 1. || SYN-SENT ||width="60px"| → || <SEQ=100><CTL=SYN> ||width="60px"| → || SYN-RECEIVED
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| |-
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| | 2. || SYN/ACK-RECEIVED || ← || <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK> || ← || SYN/ACK-SENT
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| |-
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| | 3. || ACK-SENT || → || <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> || → || ESTABLISHED
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| |}
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| * Nach Aufbau ist die Verbindung für beide Kommunikationspartner gleichberechtigt
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| * Man kann einer bestehenden Verbindung auf TCP-Ebene nicht ansehen, wer der Server und wer der Client ist.
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| * Eine Unterscheidung dieser beiden Rollen in der weiteren Betrachtung keine Bedeutung mehr.
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| === Verbindungsabbau ===
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| [[Datei:TCP-Teardown.svg|mini|500px| TCP-Teardown]]
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| * Der Verbindungsabbau kann ''beidseitig'' oder ''schrittweise einseitig'' erfolgen.
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| * Der geregelte Verbindungsabbau erfolgt dem Verbindungsaufbau ähnlich.
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| *# Statt dem SYN-Bits kommt das FIN-Bit zum Einsatz, welches anzeigt, dass keine Daten mehr vom Sender kommen werden.
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| *# Der Erhalt des Pakets wird mit ACK bestätigt und der Empfänger des FIN-Pakets sendet zuletzt seinerseits ein FIN-Paket.
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| *# Dieses FIN-Paket wird ihm zuletzt bestätigt.
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| * Ein verkürztes ist Verfahren möglich, bei dem FIN und ACK genau wie beim Verbindungsaufbau im selben Paket untergebracht werden.
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| === Halb geschlossene Verbindungen ===
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| * Der Verbindungsabbau erfolgt schrittweise einseitig.
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| * Erlaubt der Gegenseite nach der einseitigen Trennung noch Daten zu übertragen.
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| === Halb offene Verbindungen ===
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| * wenn eine Seite abstürzt, ohne dass die verbleibende Seite dies erfährt.
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| * Effekt: Betriebssystemressourcen werden nicht freigegeben.
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| * Ursprung: TCP-Verbindungen von der Protokollseite bestehen, bis sie abgebaut werden.
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| ==== Maximum segment lifetime (MSL)====
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| * Die maximale Zeit, die ein Segment im Netzwerk verbringen kann, bevor es verworfen wird.
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| * Nach dem Senden des letzten ACKs wechselt der Client in einen zwei MSL andauernden Wartezustand (''wait state''), in dem alle verspäteten Segmente verworfen werden.
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| ** Dadurch wird sichergestellt, dass keine verspäteten Segmente als Teil einer neuen Verbindung fehlinterpretiert werden können.
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| ** Außerdem wird eine korrekte Verbindungsterminierung sichergestellt.
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| * Geht ACK ''y+1'' verloren, läuft beim Server der Timer ab, und das LAST_ACK-Segment wird erneut übertragen.
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| === Puffer ===
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| * Beim Datenversand über TCP werden zwei Puffer verwendet.
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| # Senderseitig übermittelt die Applikation die Sendedaten an TCP und dieses puffert die Daten.
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| # Effizient werden mehrere kleine Übertragungen in Form einer einzigen großen gesendet.
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| # Empfängerseitig landen die empfangenen Daten im Puffer, dieser verfolgt ähnliche Ziele.
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| * Wenn von TCP mehrere einzelne Pakete empfangen wurden, ist es besser, diese zusammengefügt an die Applikation weiterzugeben.
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| === Drei-Wege-Handschlag ===
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| * Typisch werden Antworten auf das erste SYN- bzw. FIN-Paket zu einem einzelnen Paket zusammengefasst (SYN/ACK bzw. FIN/ACK).
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| ** Theoretisch wäre auch das Versenden zweier separater Pakete denkbar.
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| * In diesem Fall müssen nur noch drei Pakete versendet werden, man spricht vom Drei-Wege-Handschlag.
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| * Das Zusammenfassen des FIN-Pakets und ACK-Pakets ist problematisch.
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| ** Das Fin-Paket signalisiert „keine weiteren Daten“.
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| * Allerdings kann der Sender des FIN-Pakets weiterhin Daten empfangen wollen (halb geschlossenen Verbindung).
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| ; Überlegung
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| # Den Beginn einer HTTP-Anfrage im SYN-Paket mitschicken, weitere Daten nach Verbindungsaufbau.
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| # Im letzten HTTP-Request-Paket die Verbindung mittels FIN schließen.
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| * In der Praxis nicht angewendet da:
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| ** Wenn der Browser die Verbindung auf diese Art schließt, würde möglicherweise der Server die Verbindung schließen, anstatt die Anfrage vollständig zu beantworten.
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| == Datenübertragung ==
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| [[Datei:Tcp daten.svg|mini| 450px | Segmentierung der Nutzdaten]]
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| === TCP-/IP-Segment-Größe ===
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| * Typischerweise eine Größe von maximal 1500Bytes .
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| * Muss in die darunter liegende Übertragungsschicht passen, das Internetprotokoll (IP).
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| * IP-Pakete sind zwar bis 65.535Bytes (64KiB) spezifiziert, werden aber meist über Ethernet übertragen.
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| ** Bei Ethernet ist die Größe der (Layer-3-)Nutzdaten auf 64 bis 1500Bytes festgelegt (bei Jumbo Frames höher).
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| * TCP- und IP-Protokoll definieren jeweils einen Header von 20Bytes Größe.
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| * Für die (Applikations-)Nutzdaten bleiben in einem TCP/IP-Paket also 1460Bytes übrig.
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| * Da die meisten Internet-Anschlüsse DSL verwenden, kommt zusätzlich das Point-to-Point Protocol (PPP) zwischen IP und Ethernet zur Anwendung (8Bytes).
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| Die Nutzdaten reduzieren sich also auf insgesamt 1500− 20− 20− 8 =1452Bytes Maximum Segment Size (MSS).
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| * Dies entspricht einer maximalen Nutzdatenrate von 96,8 %.
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| === Aufteilen der Anwendungsdaten auf TCP-/IP-Segmente ===
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| # Empfänger und Sender einigen sich vor dem Datenaustausch über das Options-Feld auf die Größe der Maximum Segment Size (MSS).
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| # Als Beispiel legt ein Webserver einen 7Kilobyte großen Datenblock im Puffer ab.
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| #* Um mit einem 1460Byte großen Nutzdatenfeld 7Kilobyte Daten zu versenden:
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| #*# Teilt die TCP-Software die Daten auf mehrere Pakete auf
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| #*# Fügt einen TCP-Header hinzu und versendet die TCP-Segmente.
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| #* Dieser Vorgang wird Segmentierung genannt.
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| # Der Datenblock im Puffer wird in fünf Segmente aufgeteilt, diese werden nacheinander abgeschickt.
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| ## Jedes Segment erhält durch die TCP-Software einen TCP-Header.
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| # Segmente kommen nicht zwingend in richtiger Reihenfolge an.
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| # Um die Segmente wieder zu sortieren, ist jedes Segment nummeriert.
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| #* Bei der Zuordnung der Segmente im Empfänger wird die Sequenznummer herangezogen.
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| # Die TCP-Software des Empfängers bestätigt die einwandfrei angekommenen TCP-Segmente.
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| #*Andernfalls werden die Pakete neu angefordert.
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| === Beispiel einer TCP-/IP-Datenübertragung ===
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| [[Datei:Tcp transfer.png|mini|450px| Beispiel eines Datentransfers]]
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| # Der Sender schickt sein erstes TCP-Segment mit einer Sequenznummer SEQ=1 und einer Nutzdatenlänge von 1460Bytes an den Empfänger.
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| # Der Empfänger bestätigt es mit einem TCP-Header, ohne Daten, mit ACK=1461 und fordert das zweite TCP-Segment ab dem Byte Nummer 1461 an.
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| # Sender schickt es dann mit einem TCP-Segment und SEQ=1461 an den Empfänger.
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| # Empfäner bestätigt es wieder mit einem ACK=2921.
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| * Der Empfänger braucht nicht jedes TCP-Segment zu bestätigen, wenn diese zusammenhängend sind.
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| * Empfängt er die TCP-Segmente 1–5, so braucht er nur das letzte TCP-Segment zu bestätigen.
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| * Fehlt zum Beispiel das 3. Segment, kann er nur die 1 und die 2 bestätigen, 4 und 5 jedoch noch nicht.
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| ** Da der Sender keine Bestätigung für die 3 bekommt, läuft sein Timer ab, und er verschickt die 3 noch einmal.
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| ** Kommt die 3 beim Empfänger an, so bestätigt er alle fünf TCP-Segmente, wenn beide die TCP-Option Selective ACK (SACK) unterstützen.
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| * Der Sender startet für jedes TCP-Segment, welches er auf die Reise schickt, einen Retransmission Timer.
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| === Retransmission Timer ===
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| * Zur Feststellung, wann ein Paket im Netzwerk verloren gegangen ist, wird vom Sender ein Timeout verwendet, bis zu dem das ACK der Gegenseite eingetroffen sein muss.
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| ** Timeout zu niedrig, Pakete werden doppelt geschickt.
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| ** Timeout zu hoch, velorene Pakete werden zu spät neu geschickt.
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| * Aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten der IP-Pakete ist nur ein dynamischer Timer sinnvoll.
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| === Zusammenhang von Flusssteuerung und Staukontrolle ===
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| In den folgenden zwei Abschnitten werden die TCP-Konzepte zur Flusssteuerung und Staukontrolle (oder Überlaststeuerung) erläutert.
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| * Dabei werden das '' Sliding Window '' und das '' Congestion Window '' eingeführt.
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| * Der Sender wählt als tatsächliche Sendefenstergröße das Minimum aus beiden Fenstern.
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| * Es werden ARQ-Protokolle (Automatic Repeat reQuest) für eine zuverlässige Datenübertragung eingesetzt.
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| === Flusssteuerung ===
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| [[Datei:Sliding window.svg|mini| Sliding Window]]
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| Da Daten aus dem Puffer gelesen werden, ändert sich der Füllstand des Puffers ständig.
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| * Deshalb ist es notwendig, den Datenfluss dem Füllstand entsprechend zu steuern.
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| ** Dies geschieht mit dem '' Sliding Window '' und dessen Größe.
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| * Der Puffer des Senders wird auf auf 10 Segmente erweitert.
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| ;Im Sliding Window (a) werden gerade die Segmente 1–5 übertragen.
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| # Obwohl der Puffer voll ist, werden die nächsten Daten (ab Byte 7301) mit ACK=7301 angefordert.
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| #* Das nächste Segment kann nicht mehr verarbeitet werden.
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| #* Mit dem Window-Feld (=0) teilt er dem Sender mit, dass keine Daten mehr verschickt werden sollen.
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| # Die Anwendung liest die Segmente 1–5 aus dem Puffer, es werden 7300Byte frei.
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| # Er kann die restlichen Segmente 6–10 mit einem TCP-Header (SEQ=1, ACK=7301, Window=7300), beim Sender anfordern.
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| # Der Sender weiß nun, dass er maximal fünf Segmente schicken kann, und verschiebt das Window um fünf Segmente nach rechts (Sliding Window (b)).
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| # Die Segmente 6–10 werden nun alle zusammen als ''Burst'' verschickt.
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| # Beim Ankommen aller TCP-Segmente beim Empfänger, quittiert er sie (SEQ=1 und ACK=14601) und fordert die nächsten Daten an.
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| === Überlaststeuerung/Staukontrolle (Congestion Control) ===
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| * Wird eine Verbindung stark belastet, werden immer mehr Pakete verworfen.
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| * Durch die Wiederholung steigt wiederum die Belastung, dies sorgt (ohne Maßnahmen) für einen Datenstau.
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| * Die Verlustrate wird von einem IP-Netzwerk ständig beobachtet.
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| * Normalerweise wird eine TCP/IP-Verbindung langsam gestartet (Slow-Start) und die Senderate schrittweise erhöht, bis zum Datenverlust.
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| * Ein Datenverlust verringert die Senderate, ohne Verlust wird sie wiederum erhöht.
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| ==== Algorithmus zur Überlaststeuerung ====
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| Gehen bei einer bestimmten Fenstergröße Pakete verloren, kann das festgestellt werden, wenn der Sender innerhalb einer bestimmten Zeit (Timeout) kein ACK erhält.
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| * Man muss davon ausgehen, dass das Paket aufgrund zu hoher Netzlast von einem Router im Netz verworfen wurde (Stau im Netz).
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| * Um den Stau aufzulösen, müssen alle beteiligten Sender ihre Netzlast reduzieren.
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| Dazu werden im RFC 2581 vier Algorithmen definiert:
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| # ''slow start''
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| # ''congestion avoidance''
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| # ''fast retransmit''
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| # ''fast recovery'',
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| * ''slow start'' und ''congestion avoidance'' werden zusammen verwendet.
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| * ''fast retransmit'' und ''fast recovery'' werden zusammen verwendet, sind eine Erweiterung von ''slow start'' und ''congestion avoidance''.
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| ==== Slow Start Slow Start und Congestion Avoidance ====
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| [[Datei:TCPSlowStartundCongestionAvoidance.svg|mini|450px|Grafische Darstellung des Slow-Start-Algorithmus]]
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| * Der Slow-Start-Algorithmus dient zur Bestimmung des ''congestion window''.
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| * Da die momentane Auslastung des Netzes nicht bekannt ist, wird mit kleinen Datenmengen begonnen.
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| # Der Algorithmus startet mit einem kleinen Fenster, von einer Maximum Segment Size (MSS), in dem Datenpakete vom Sender zum Empfänger übertragen werden.
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| # Der Empfänger sendet ACK an den Sender zurück.
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| # Für jedes empfangene ACK wird die Größe des ''congestion window'' um eine MSS erhöht.
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| #*Dies führt innerhalb einer Roundtrip-Zeit zu einer Verdopplung des Congestion Windows.
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| # Dieses exponentielle Wachstum wird so lange fortgesetzt, bis der ''Slow-Start Threshold'' erreicht wird.
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| #*Die Phase des exponentiellen Wachstums wird auch ''Slow Start Phase'' genannt.
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| # Danach wird das Congestion Window nur noch um eine MSS erhöht, wenn alle Pakete aus dem Fenster erfolgreich übertragen wurden.
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| #*Es wächst pro Roundtrip-Zeit nur noch um eine MSS, also nur noch linear.
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| #**Diese Phase wird als ''Congestion Avoidance Phase'' bezeichnet.
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| #*Das Wachstum wird beendet, wenn das vom Empfänger festgelegte Empfangsfenster erreicht worden ist.
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| Kommt es zu einem Timeout, wird das ''congestion window'' auf 1 zurückgesetzt, der ''slow-start threshold'' wird auf die Hälfte der gesendeten, unquittierten Pakete herabgesetzt (Flight Size).
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| * Die Phase des exponentiellen Wachstums wird also verkürzt.
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| * Das Fenster wächst bei häufigen Paketverlusten nur langsam.
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| ==== Fast-Retransmit und Fast-Recovery ====
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| * Werden eingesetzt, um nach Paketverlust schneller auf die Stau-Situation zu reagieren.
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| * Empfänger informiert den Sender, wenn Pakete außer der Reihe ankommen und somit dazwischen ein Paketverlust vorliegt.
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| * Der Empfänger bestätigt das letzte korrekte Paket erneut für jedes weitere ankommende Paket außer der Reihe.
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| * Man spricht dabei von ''Dup-Acks'' (''duplicate acknowledgments''),
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| ** Mehrere aufeinanderfolgende Nachrichten, welche dasselbe Datensegment ACKen.
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| * Der Sender bemerkt die duplizierten ACKS, und nach dem dritten Duplikat sendet er sofort, vor Ablauf des Timers, das verlorene Paket erneut.
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| ** Da nicht auf den Timerablauf gewartet werden muss, heißt das Prinzip ''Fast Retransmit''.
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| * Dup-Acks: auch Hinweise darauf, dass ein Paketverlust stattfand, dennoch die folgenden Pakete angekommen sind.
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| * Das Sendefenster wird nach dem Fehler nur halbiert (kein Slow-Start).
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| Zusätzlich kann das Sendefenster noch um die Anzahl der Dup-Acks erhöht werden,
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| * Jedes Dup-Ack steht für ein weiteres Paket, welches den Empfänger erreicht hat.
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| * Dadurch kann nach dem Fehler schneller wieder die volle Sendeleistung erreicht werden.
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| * Das Prinzip nennt man ''Fast-Recovery''.
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| [[Datei:Tcp verbindung.png|none|750px|Verwaltung der TCP-Verbindungen als endlicher Automat]]
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| = Dokumentation = | | = Dokumentation = |
