TCP verstehen: Verbindung, Zuverlässigkeit und Fehler

Wenn du eine Webseite abrufst oder eine Datei überträgst, müssen mehrere Protokolle zusammenarbeiten. Sie erfüllen unterschiedliche Aufgaben:

• Ein Anwendungsprotokoll wie HTTP beschreibt die Bedeutung von Anfrage und Antwort.
• TCP transportiert den Datenstrom zuverlässig zwischen zwei Endpunkten.
• IP adressiert und vermittelt die einzelnen Pakete durch verschiedene Netze.
• Ethernet oder WLAN übertragen sie über den jeweiligen Netzzugang.

TCP überträgt keine unveränderlichen „Nachrichtenblöcke“ der Anwendung. Es betrachtet die Daten als Folge von Bytes, teilt sie in Segmente und setzt den Strom beim Empfänger anhand von Sequenznummern wieder richtig zusammen.

TCP oder UDP?

TCP baut vor dem Datenaustausch eine Verbindung auf und bestätigt Empfangsfortschritte. UDP ist verbindungslos und schreibt weder Bestätigungen noch automatische Wiederholungen vor. Deshalb eignet sich TCP besonders, wenn vollständige und geordnete Daten wichtiger sind als möglichst wenig Verwaltungsaufwand.

Eine Anwendung greift gewöhnlich über einen Socket auf TCP zu. Ein TCP-Endpunkt besteht aus einer IP-Adresse und einem Port. Der Port hilft dem Betriebssystem, die Kommunikation dem richtigen Anwendungsendpunkt zuzuordnen.

Eine Verbindung wird durch vier Werte eindeutig beschrieben:

1. lokale IP-Adresse,
2. lokaler Port,
3. entfernte IP-Adresse,
4. entfernter Port.

Diese Kombination heißt Vierertupel. Zwei Verbindungen können daher denselben Serverport verwenden, solange sich mindestens einer der übrigen Werte unterscheidet. So kann ein Webserver gleichzeitig mit vielen Clients kommunizieren.

Vor den Nutzdaten synchronisieren beide Seiten ihre Startsequenznummern. Dazu dient der Drei-Wege-Handshake:

1. Der Client sendet SYN mit seiner Startsequenznummer x.
2. Der Server antwortet bei einem offenen Port mit SYN/ACK. Er bestätigt x + 1 und sendet seine eigene Startsequenznummer y.
3. Der Client sendet ACK und bestätigt y + 1.

SYN bedeutet, dass eine Seite eine Verbindung beginnen und Sequenznummern synchronisieren möchte. ACK kennzeichnet eine gültige Bestätigung. Antwortet ein erreichbarer Rechner auf einen geschlossenen Port, kann er die Anfrage mit RST zurückweisen.

TCP verwendet mehrere Mechanismen gemeinsam:

• Sequenznummern bezeichnen Positionen im Byte-Datenstrom.
• Bestätigungen nennen das nächste erwartete Byte.
• Prüfsummen helfen, Übertragungsfehler in Segmenten zu erkennen.
• Timeouts lösen Wiederholungen aus, wenn eine Bestätigung ausbleibt.
• Der Empfänger sortiert verspätete Segmente und verwirft Duplikate.

Bestätigungen können kumulativ sein. Sind mehrere aufeinanderfolgende Bereiche angekommen, genügt die Angabe des nächsten fehlenden Bytes. Fehlt ein Bereich, kann die Bestätigung zunächst nicht über diese Lücke hinausgehen. Mit SACK kann der Empfänger zusätzlich mitteilen, welche späteren Bereiche bereits vorhanden sind.

Warum braucht TCP einen Timeout?

Bleibt eine Bestätigung aus, kann ein Segment oder seine Bestätigung verloren gegangen sein. Nach einer angemessenen Wartezeit überträgt der Sender die Daten erneut. Ein zu kurzer Timeout erzeugt unnötige Wiederholungen; ein zu langer Timeout verzögert die Reparatur eines Verlusts. TCP passt die Wartezeit deshalb an gemessene Laufzeiten an.

Zuverlässigkeit allein reicht nicht. Ein schneller Sender könnte einen langsamen Empfänger oder ein überlastetes Netz mit Daten überfordern. TCP unterscheidet deshalb zwei Aufgaben.

Meldet der Empfänger Window = 0, hält der Sender die normale Datenübertragung zunächst an. Gibt die Anwendung Pufferplatz frei, kann der Empfänger wieder ein größeres Fenster ankündigen.

Das tatsächliche Sendelimit richtet sich nach dem kleineren Wert aus Empfangsfenster und Überlastungsfenster. Ein freier Empfängerpuffer allein erlaubt also noch keine beliebig schnelle Übertragung.

TCP-Zuverlässigkeit bedeutet, dass der Byte-Datenstrom geordnet und nach erkannten Verlusten erneut übertragen wird. Sie bedeutet nicht, dass eine Übertragung geheim oder der Kommunikationspartner zweifelsfrei echt ist.

Auch ein aufgebauter TCP-Zustand ist keine reservierte physische Leitung. Pakete können verschiedene Wege nehmen, sich verspäten oder nach einer Störung ausbleiben.

Fehler nach Schichten unterscheiden