Transmission Control Protocol/Verbindungsverwaltung

topic - Kurzbeschreibung

Drei-Wege-Handschlag

• Typisch werden Antworten auf das erste SYN- bzw
• FIN-Paket zu einem einzelnen Paket zusammengefasst (SYN/ACK bzw
• FIN/ACK)
  • Theoretisch wäre auch das Versenden zweier separater Pakete denkbar
• In diesem Fall müssen nur noch drei Pakete versendet werden, man spricht vom Drei-Wege-Handschlag
• Das Zusammenfassen des FIN-Pakets und ACK-Pakets ist problematisch
  • Das Fin-Paket signalisiert „keine weiteren Daten“
• Allerdings kann der Sender des FIN-Pakets weiterhin Daten empfangen wollen (halb geschlossenen Verbindung)

Überlegung

1. Den Beginn einer HTTP-Anfrage im SYN-Paket mitschicken, weitere Daten nach Verbindungsaufbau
2. Im letzten HTTP-Request-Paket die Verbindung mittels FIN schließen

• In der Praxis nicht angewandt da:
  • Wenn der Browser die Verbindung auf diese Art schließt, würde möglicherweise der Server die Verbindung schließen, anstatt die Anfrage vollständig zu beantworten

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. 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 angewandt
• Würde der Browser die Verbindung auf diese Art sofort schließen, würde möglicherweise auch der Server die Verbindung schließen anstatt die Anfrage vollständig zu beantworten

Timeout bei Verbindungsaufbau

• Was passiert, wenn der Kommunikationspartner nicht antwortet?
• die Übertragung des Paketes wird wiederholt, TCP betrachtet dies als gewöhnlichen Paketverlust
• nach einer festen Zeit (timeout) wird der Verbindungsversuch abgebrochen und die Anwendung informiert

Verbindungsaufbau

• Aktives Öffnen einer Verbindung (SYN)
• Passive Seite nimmt eine Verbindung auf einer bestimmten Port-Nummer entgegen
• Die initialen Sequenznummern werden auf jeder Seite zufällig gewählt und bestätigt
• 3-fach-Handshake (nötig wegen des unzuverlässigen Dienstes von IP)

Verbindungsaufbau und -abbau

Ein Server, der seinen Dienst anbietet, erzeugt einen Endpunkt (Socket) mit der Portnummer und seiner IP-Adresse

• Dies wird als passive open oder auch als listen bezeichnet

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:
• Quell-IP-Adresse
• 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

Verbindungsabbau

Transmission Control Protocol/Verbindungsabbau

Maximum segment lifetime (MSL)

• 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 Datenversand über TCP werden zwei Puffer verwendet

1. Senderseitig übermittelt die Applikation die Sendedaten an TCP und dieses puffert die Daten
2. Effizient werden mehrere kleine Übertragungen in Form einer einzigen großen gesendet
3. Empfängerseitig landen die empfangenen Daten im Puffer, dieser verfolgt ähnliche Ziele

• Wenn von TCP mehrere einzelne Pakete empfangen wurden, ist es besser, diese zusammengefügt an die Applikation weiterzugeben

Puffer

Beim Versenden von Daten über das TCP werden zwei 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

Datenübertragung

TCP-/IP-Segment-Größe

• Typischerweise eine Größe von maximal 1500 Byte
• Muss in die darunter liegende Übertragungsschicht passen, das Internetprotokoll (IP)
• IP-Pakete sind zwar bis 65.535Bytes (64KiB) spezifiziert, werden aber meist über Ethernet übertragen
  • Bei Ethernet ist die Größe der (Layer-3-)Nutzdaten auf 64 bis 1500Bytes festgelegt (bei Jumbo Frames höher)
• TCP- und IP-Protokoll definieren jeweils einen Header von 20Bytes Größe
• Für die (Applikations-)Nutzdaten bleiben in einem TCP/IP-Paket also 1460Bytes übrig
• Da die meisten Internet-Anschlüsse DSL verwenden, kommt zusätzlich das Point-to-Point Protocol (PPP) zwischen IP und Ethernet zur Anwendung (8Bytes)

Die Nutzdaten reduzieren sich also auf insgesamt 1500− 20− 20− 8 =1452Bytes Maximum Segment Size (MSS)

• Dies entspricht einer maximalen Nutzdatenrate von 96,8 %

Aufteilen der Anwendungsdaten auf TCP-/IP-Segmente

1. Empfänger und Sender einigen sich vor dem Datenaustausch über das Options-Feld auf die Größe der Maximum Segment Size (MSS)
2. Als Beispiel legt ein Webserver einen 7Kilobyte großen Datenblock im Puffer ab
   • Um mit einem 1460Byte großen Nutzdatenfeld 7Kilobyte Daten zu versenden:
     1. Teilt die TCP-Software die Daten auf mehrere Pakete auf
     2. Fügt einen TCP-Header hinzu und versendet die TCP-Segmente
   • Dieser Vorgang wird Segmentierung genannt
3. Der Datenblock im Puffer wird in fünf Segmente aufgeteilt, diese werden nacheinander abgeschickt
   1. Jedes Segment erhält durch die TCP-Software einen TCP-Header
4. Segmente kommen nicht zwingend in richtiger Reihenfolge an
5. Um die Segmente wieder zu sortieren, ist jedes Segment nummeriert
   • Bei der Zuordnung der Segmente im Empfänger wird die Sequenznummer herangezogen
6. Die TCP-Software des Empfängers bestätigt die einwandfrei angekommenen TCP-Segmente
   • Andernfalls werden die Pakete neu angefordert

TCP-/IP-Datenübertragung

1. Der Sender schickt sein erstes TCP-Segment mit einer Sequenznummer SEQ=1 und einer Nutzdatenlänge von 1460Bytes an den Empfänger
2. 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
3. Sender schickt es dann mit einem TCP-Segment und SEQ=1461 an den Empfänger
4. Empfäner bestätigt es wieder mit einem ACK=2921

• 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 3
• Segment, 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, wenn beide die TCP-Option Selective ACK (SACK) 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 verwendet, bis zu dem das ACK der Gegenseite eingetroffen sein muss
  • Timeout zu niedrig, Pakete werden doppelt geschickt
  • Timeout zu hoch, velorene Pakete werden zu spät neu geschickt

• Aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten der IP-Pakete ist nur ein dynamischer Timer sinnvoll

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
• Es werden ARQ-Protokolle (Automatic Repeat reQuest) für eine zuverlässige Datenübertragung eingesetzt

Flusssteuerung

Da Daten aus dem Puffer gelesen werden, 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
• Der Puffer des Senders wird auf auf 10 Segmente erweitert

Im Sliding Window (a) werden gerade die Segmente 1–5 übertragen

1. Obwohl der Puffer voll ist, werden die nächsten Daten (ab Byte 7301) mit ACK=7301 angefordert
   • Das nächste Segment kann nicht mehr verarbeitet werden
   • Mit dem Window-Feld (=0) teilt er dem Sender mit, dass keine Daten mehr verschickt werden sollen
2. Die Anwendung liest die Segmente 1–5 aus dem Puffer, es werden 7300Byte frei
3. Er kann die restlichen Segmente 6–10 mit einem TCP-Header (SEQ=1, ACK=7301, Window=7300), beim Sender anfordern
4. Der Sender weiß nun, dass er maximal fünf Segmente schicken kann, und verschiebt das Window um fünf Segmente nach rechts (Sliding Window (b))
5. Die Segmente 6–10 werden nun alle zusammen als Burst verschickt
6. Beim Ankommen aller TCP-Segmente beim Empfänger, quittiert er sie (SEQ=1 und ACK=14601) und fordert die nächsten Daten an

Fehlerbehandlung

• Checksummen-Fehler
• Erkennen von Übertragungsfehlern
• Defekte Pakete werden weggeworfen
• Nach Timeout wird das entsprechende Paket neu gesendet
• Abgebrochene Verbindung
• plötzlicher Abbruch (Absturz, Kabel entfernt, ...)
• Schließen der Verbindung nach Timeout

Datenaustausch

• Senden eines Segments und Start eines Timer
• Bestätigung mit nächster erwarteter Sequenznummer
• Wird Timer überschritten, erneutes Senden

Effiziente Datenübertragung

• TCP verwendet das Sliding-Window-Protocol
• um möglichst effizient Daten zu übertragen und Flusskontrolle zu ermöglichen
• Bei einer Vollduplex-Verbindung müssen insgesamt 4 Fenster verwaltet werden

TCP PUSH Flag (PSH)

• die ursprüngliche Aufgabe des PSH Flags war es, dass der Sender eines Segmentes den Empfänger auffordert, dieses (und alle vorangegangenen) sofort bei der jeweiligen Anwendung auszuliefern, ohne dass es lange gepuffert wird
• dies sollte z. B.  für interaktive Anwendungen verwendet werden
• wird inzwischen jedoch standardmäßig (fast) immer gesetzt, da keine Rechenzeit beim Auslesen der Puffer gespart werden muss

Variable Fenstergröße

• Größe des Fensters kann variieren
• Reagieren auf Netzwerk-Engpässe
• Flusskontrolle (z. B.  zwischen verschieden starken Partnern)
• Verkehrssteuerung
• Jacobsen's "slow start" Algorithmus variiert die Grösse des Sendefensters, um die Senderate an die Netzbelastung anzupassen
• Siehe Überlastungskontrolle
• Flusssteuerung
• Jedes Bestätigungspaket enthält einen "window advertisement" Wert, in dem der Empfänger angibt, für wieviele weitere Pakete er noch freie Kapazität hat
• das Fenster kann also größer oder kleiner werden

Überlastungskontrolle

• Bei Paketvermittelten Netzen kann es zu Überlastung kommen
• Beim Zielhost
• Innerhalb des Netzwerkes
• Lösungen

Änderung der Fenstergröße

• Congestion Windows Size (Größe des Überlastungsfensters)
• Die tatsächliche Segmentgröße ist ein Limit aus beiden Werten

Slow Start with Congestion Avoidance

• Beim Verbindungsaufbau wird das Überlastungfenster auf die Größe eines Segmentes gesetzt
• Kommen die Quittungen des versandten Segmentes ohne Timeout an, wird die Größe des Überlastungsfensters verdoppelt
• Dies geschieht bis zum Schwellenwert von 64 KByte
• Danach pro erfolgreichem Sende- und Empfangszyklus um jeweils eine Segmentgröße
• Dieser Algorithmus ist für zuverlässige Verbindungen konzipiert und sollte z. B.  bei WLANs deaktiviert werden
• Dort verringert er stark die effektive Bandbreite

Überlaststeuerung/Staukontrolle (Congestion Control)

• Wird eine Verbindung stark belastet, werden immer mehr Pakete verworfen
• Durch die Wiederholung steigt wiederum die Belastung, dies sorgt (ohne Maßnahmen) für einen Datenstau
• Die Verlustrate wird von einem IP-Netzwerk ständig beobachtet
• Normalerweise wird eine TCP/IP-Verbindung langsam gestartet (Slow-Start) und die Senderate schrittweise erhöht, bis zum Datenverlust
• Ein Datenverlust verringert die Senderate, ohne Verlust wird sie wiederum erhöht

Algorithmus zur Überlaststeuerung

Gehen bei einer bestimmten Fenstergröße Pakete verloren, kann das festgestellt werden, wenn der Sender innerhalb einer bestimmten Zeit (Timeout) kein ACK erhält

• Man muss davon ausgehen, dass das Paket aufgrund zu hoher Netzlast von einem Router im Netz verworfen wurde (Stau im Netz)
• Um den Stau aufzulösen, müssen alle beteiligten Sender ihre Netzlast reduzieren

Dazu werden im RFC 2581 vier Algorithmen definiert:

1. slow start
2. congestion avoidance
3. fast retransmit
4. fast recovery

• slow start und congestion avoidance werden zusammen verwendet
• fast retransmit und fast recovery werden zusammen verwendet, sind eine Erweiterung von slow start und congestion avoidance

Slow Start Slow Start und Congestion Avoidance

Grafische Darstellung des Slow-Start-Algorithmus

• Der Slow-Start-Algorithmus dient zur Bestimmung des congestion window
• Da die momentane Auslastung des Netzes nicht bekannt ist, wird mit kleinen Datenmengen begonnen

1. Der Algorithmus startet mit einem kleinen Fenster, von einer Maximum Segment Size (MSS), in dem Datenpakete vom Sender zum Empfänger übertragen werden
2. Der Empfänger sendet ACK an den Sender zurück
3. Für jedes empfangene ACK wird die Größe des congestion window um eine MSS erhöht
   • Dies führt innerhalb einer Roundtrip-Zeit zu einer Verdopplung des Congestion Windows
4. Dieses exponentielle Wachstum wird so lange fortgesetzt, bis der Slow-Start Threshold erreicht wird
   • Die Phase des exponentiellen Wachstums wird auch Slow Start Phase genannt
5. Danach wird das Congestion Window nur noch um eine MSS erhöht, wenn alle Pakete aus dem Fenster erfolgreich übertragen wurden
   • Es wächst 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

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)

• Die Phase des exponentiellen Wachstums wird also verkürzt
• Das Fenster wächst bei häufigen Paketverlusten nur langsam

Fast-Retransmit und Fast-Recovery

• Werden eingesetzt, um nach Paketverlust schneller auf die Stau-Situation zu reagieren
• Empfänger informiert den Sender, wenn Pakete außer der Reihe ankommen und somit dazwischen ein Paketverlust vorliegt
• Der Empfänger bestätigt das letzte korrekte Paket erneut für jedes weitere ankommende Paket außer der Reihe
• Man spricht dabei von Dup-Acks (duplicate acknowledgments)
  • Mehrere aufeinanderfolgende Nachrichten, welche dasselbe Datensegment ACKen
• Der Sender bemerkt die duplizierten ACKS, und nach dem dritten Duplikat sendet er sofort, vor Ablauf des Timers, das verlorene Paket erneut
  • Da nicht auf den Timerablauf gewartet werden muss, heißt das Prinzip Fast Retransmit
• Dup-Acks: auch Hinweise darauf, dass ein Paketverlust stattfand, dennoch die folgenden Pakete angekommen sind
• Das Sendefenster wird nach dem Fehler nur halbiert (kein Slow-Start)

Zusätzlich kann das Sendefenster noch um die Anzahl der Dup-Acks erhöht werden

• Jedes Dup-Ack steht für ein weiteres Paket, welches den Empfänger erreicht hat
• Dadurch kann nach dem Fehler schneller wieder die volle Sendeleistung erreicht werden
• Das Prinzip nennt man Fast-Recovery

Verwaltung der TCP-Verbindungen als endlicher Automat

Anhang

Siehe auch

• Transmission Control Protocol/Verbindungsverwaltung