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Ende-zu-Ende Protokolle: UDP und TCP

TCP

Zuverlässiger Byte-Strom mit integrierter Flusskontrolle

Ausgangslage für eine (virtuelle) TCP-Verbindung

• MSS (Maximum Segment Size)
  • maximale Größe eines TCP-Segments (NUR Daten, ohne Header)
  • wird bei Verbindungsaufbau ausgehandelt
  • abhängig von der MTU (Maximum Transmission Unit) des darunterliegenden Netzwerks
• Retransmission Timer (Timeout = RTO)
  • Nach Ablauf des Timers werden unbestätigte Datenpakete erneut gesendet

TCP Sequenznummern

• Sequenznummer eines TCP-Segments
  • Bytestromnummer des ersten Bytes im Segment
  • wird bei Verbindungsaufbau ausgehandelt

TCP Bestätigungsnummern

• Bestätigungsnummer eines TCP-Segments
  • Bytestromnummer des nächsten erwarteten Bytes
  • Als Quittungsnummer wird gesetzt:
    • ACK-Nummer (von Host B) = fehlerfrei empfangene Squenznummer + Größe der Nutzdaten in Byte
• i.d.R poitiv
  • stellen Summenquittungen dar
    • d.h. alle Bytes bis zur ACK-Nummer wurden fehlerfrei empfangen
• werden zusammen mit den restlichen Daten die von B nach A gesendet werden, in einem TCP-Segment übertragen
  • "Huckepack"

TCP Telnet Fallstudie

Neuübertragung aufgrund einer verlorenen ACK

keine Neuübertragung, weil Bestätigung vor Timeout ankommt

Keine Neuübertragung, weil kumulative Bestätigung ankommt (Summenquittung)

TCP Verbindungsaufbau

TCP-Verbindung ist Full-Duplex

Beide Verbindungen (Hin und Rück) müssen separat aufgebaut werden

SYN-Flag = 1 dient zum Aufbau (Synchronisation)

ACK-Flag = 1 dient zur Bestätigung (Quittung)

Sequenz- und Quittungsnummern beziehen sich auf Bytes

• TCP-Verbindung wird mit einem 3-Wege-Handshake aufgebaut
  • Verbindungsanfrage (SYN) von A an B
    • SYN = 1
    • SEQ = x (Startsequenznummer)
  • Verbindungsbestätigung (SYN, ACK) von B an A
    • SYN = 1
    • ACK = x + 1 (Bestätigungsnummer)
    • SEQ = y (Startsequenznummer von B)
  • Bestätigung (ACK) von A an B
    • SYN = 0
    • ACK = y + 1 (Bestätigungsnummer)
    • SEQ = x + 1 (Fortsetzung der Sequenznummer von A)
• 

Verbindungsaufbau Übung

TCP Verbindungsabbau

TCP-Verbindung ist Full-Duplex → Jede Richtung muss separat abgebaut werden

Falls nur eine Verbindung abgebaut wird (und die andere noch aktiv ist), dann wird die Verbindung in den Zustand "Half-Close" versetzt.
bspw. Wenn der Client nur noch empfangen möchte, aber nicht mehr senden.

• Schematisch
  • Schließung TCP-Verbindung mit anschließender Wartezeit von 30 Sekunden
  • 

Verbindungsabbau Übung

TCP Verbindungsmanagement

• TCP-Verbindungen werden in einem Verbindungsmanagement verwaltet
• Zustände:
  • CLOSED: Verbindung ist geschlossen
  • LISTEN: Verbindung wartet auf Verbindungsanfrage
  • SYN-SENT: Verbindungsanfrage wurde gesendet, aber noch keine Antwort erhalten
  • SYN-RECEIVED: Verbindungsanfrage wurde empfangen, aber noch keine Bestätigung gesendet
  • ESTABLISHED: Verbindung ist aufgebaut und kann Daten übertragen
  • FIN-WAIT-1: Die Anwendung möchte Übertragung beenden
  • FIN-WAIT-2: Andere Seite ist einverstanden die Verbindung zu beenden
  • TIME-WAIT: Verbindung ist geschlossen, aber wartet auf mögliche ausstehende Pakete
  • CLOSING: Beide Seiten haben gleichzeitig versucht, die Verbindung zu schließen
  • CLOSE-WAIT: Gegenseite hat Verbindungsfreigabe eingeleitet
  • LAST-ACK: Warten, bis keine TCP-Segmente mehr kommen

TCP Client Lifecycle

TCP Server Lifecycle

TCP Zuverlässigkeit sicherstellen

• Quittungen
  • positive ACKs
  • kumulative Summenquittungen
• Zeitüberwachung
  • Retransmission Timer
  • Timeout (RTO)
• Sequenznummern

TCP Flusskontrolle

Senden

• TCP-Sender sendet Daten, solange der Sendepuffer nicht voll ist
  • enthält die gesendeten, aber noch nicht bestätigten Daten
• 
• Sendefenster wird dazu benutzt, um die Anzahl von Bytes anzugeben, die der Empfänger bereit ist anzunehmen
  • bildet absolute obere Grenze, die vom Sender nicht überschritten werden darf

Empfangen

• TCP-Empfänger sendet ACKs, solange der Empfangspuffer nicht voll ist

• 

• Empfangsfenster ist dynamisch

  • wird vom Empfänger in jedem ACK aktualisiert
  • gibt an, wie viele Bytes der Empfänger noch aufnehmen kann

Flusskontrolle Beispiel

Datenfluss: Fehlerfreie Übertragung

Datenfluss: Fehlerhafte Übertragung

TCP Pipelining, Sliding Window

Pipelining

• TCP-Sender kann mehrere Segmente senden, ohne auf die Bestätigung des Empfängers zu warten
• Erlaubt eine höhere Auslastung der Verbindung
• Sender sendet mehrere Segmente in einem Rutsch
  • z.B. 3 Segmente mit jeweils 1000 Bytes
• Konsequenzen:
  • Sender und Empfänger benötigen einen Puffer für mehrere Segmente
    • Minimum: Sender muss alle gesendeten, aber noch nicht bestätigten Segmente puffern
  • Bereich der Sequenz- und Bestätigungsnummern wird größer

Sliding Window

• Sliding Window ist eine Erweiterung des Pipelining
• Gewährleistet:
  • Zuverlässige Übertragung in einem Bytestrom
  • Übertragung der Daten in richtiger Reihenfolge
  • Flusskontrolle zwischen Sender und Empfänger
• Integrierte Flusskontrolle
  • keine feste Sliding Window Größe
    • wird Sender vom Empfänger mitgeteilt ("Advertised Window")
      • auf Grundlage des Speicherplatzes, der der Verbindung zugewiesen ist

Sliding Window Beispiel

• Senderseite (a)
  • LastByteAcked ≤ LastByteSent
  • LastByteSent ≤ LastByteWritten
  • Bytes zwischen LastByteAcked und LastByteSent puffern
• Empfängerseite (b)
  • LastByteRead ≤ LastByteExpected
  • LastByteExpected ≤ LastByteReceived + 1
  • Bytes zwischen LastByteRead und LastByteReceived puffern

TCP Fehlerbehandlung

• Erfolgt durch Go-Back-N
  • Sender sendet Datenpakete, bis er eine Bestätigung erhält
  • Bei Verlust eines Pakets wird es erneut gesendet
• Arbeitet mit positiven ACKs
  • Empfänger sendet ACKs für empfangene Pakete (ggf. kumulative ACKs)
  • Ab dem ersten, nicht quittierten Paket, werden alle folgenden Pakete erneut gesendet

TCP Überlastungskontrolle

• Funktion der Netzwerkschicht zur Regelung des Datenflusses
• Begrenzung der Übertragungsrate
• Lösungsansatz:
  • TCP-Slow-Start
    • Startet mit einer niedrigen Übertragungsrate
    • Erhöht die Rate exponentiell, bis ein Paket verloren geht
  • TCP-Kongestionskontrolle
    • Reduziert die Übertragungsrate, wenn Pakete verloren gehen