TCP verstehen: Verbindung, Zuverlässigkeit und Fehler

Ein Bit kann den Wert 0 oder 1 haben. Acht Bits bilden ein Byte. TCP überträgt einen Bytestrom: eine fortlaufende Folge solcher Bytes. Eine Anwendung ist hier ein Programm, das Daten über das Netz austauscht. TCP liefert die empfangenen Daten an die Anwendung in der gesendeten Reihenfolge und behandelt fehlende Daten durch erneutes Senden. Bei einem dauerhaften Ausfall kann die Verbindung jedoch abbrechen.

Für den Transport teilt TCP den Bytestrom in Abschnitte, die TCP-Segmente heißen. Jedes Segment wird in einem IP-Paket übertragen. IP steht für Internet Protocol, also Internetprotokoll. Es ermöglicht die Weiterleitung von Paketen zum Ziel. Ein Router ist ein Gerät, das Pakete zwischen Netzen weiterleitet. IP selbst bestätigt keinen lückenlosen Bytestrom und wiederholt verlorene TCP-Daten nicht.

UDP steht für User Datagram Protocol, etwa „Protokoll für einzelne Datennachrichten“. Es nutzt ebenfalls IP. UDP übermittelt einzelne Nachrichten und garantiert weder deren Zustellung noch ihre Reihenfolge oder Schutz vor doppeltem Empfang. UDP selbst sendet verlorene Nachrichten nicht erneut. Anwendungen können dafür eigene Regeln ergänzen. Aus diesen Unterschieden folgt keine allgemeine Aussage, dass eines der Protokolle schneller ist.

Der Drei-Wege-Handshake ist der gewöhnliche Aufbau einer TCP-Verbindung durch drei Nachrichten. Handshake bedeutet hier gegenseitige Abstimmung. Dabei teilen beide Endpunkte ihre Startnummer für die Bytezählung mit und bestätigen die Startnummer des anderen.

Die Nachrichten enthalten Kennzeichen, also Markierungen mit einer bestimmten Bedeutung. SYN kommt von englisch synchronize, also synchronisieren: Damit beginnt ein Endpunkt die Abstimmung seiner Startnummer. ACK kommt von englisch acknowledgment, also Bestätigung: Dieses Kennzeichen zeigt an, dass die Nachricht eine gültige Bestätigungsnummer enthält. Kennzeichen und Bestätigungsnummer sind also unterschiedliche Angaben.

Beim gewöhnlichen Ablauf beginnt A, während B auf einen Verbindungswunsch wartet. A sendet SYN. B antwortet mit SYN und ACK: B teilt seine eigene Startnummer mit und bestätigt die von A. Anschließend sendet A ein ACK, das die Startnummer von B bestätigt.

Dieser Ablauf hat zulässige Varianten. Beide Endpunkte können gleichzeitig einen Aufbau beginnen. Auch Daten können bereits während des Aufbaus mitgeschickt werden. Der Empfänger darf sie erst an die Anwendung weitergeben, wenn ihre Gültigkeit feststeht.

Jedes Datenbyte einer TCP-Verbindung erhält eine Sequenznummer, also eine laufende Nummer. Die Sequenznummer eines Datensegments nennt die Nummer seines ersten Datenbytes. Die folgenden Bytes werden fortlaufend nummeriert. Die Nummern reichen von 0 bis 4.294.967.295; danach folgt wieder 0. Die Rechnungen hier überschreiten diese Grenze nicht.

Die Bestätigungsnummer nennt das nächste Byte, das für einen lückenlosen Empfang fehlt. Eine Bestätigung mit der Nummer 70 bedeutet: Alle Datenbytes vor 70 sind lückenlos angekommen. Sie nennt nicht das zuletzt empfangene Byte. Später eintreffende Bytes können bereits vorläufig gespeichert sein; das heißt gepuffert. Solange davor eine Lücke bleibt, rückt die Bestätigungsnummer nicht über diese Lücke hinaus.

Für eine einfache Rechnung gelten diese Voraussetzungen: Das Segment beginnt genau beim erwarteten Byte und kommt vollständig an. Es schließen sich keine bereits gepufferten Folgedaten an. Das Segment enthält weder SYN noch FIN. Dann gilt a = s + n. Dabei ist a die nächste Bestätigungsnummer, s die Sequenznummer des ersten Datenbytes und n die Anzahl der Datenbytes. Sind passende Folgedaten schon gepuffert, kann die Bestätigung nach dem Schließen einer Lücke weiter springen.

SYN belegt zusätzlich eine Sequenznummer. FIN, vom lateinischen finis für Ende, ist das Kennzeichen für das Ende der Datenübertragung eines Senders und belegt ebenfalls eine Sequenznummer. Ein reines ACK ohne Daten, SYN oder FIN belegt dagegen keine Sequenznummer.

Ein Modell ist eine vereinfachte Darstellung. Hier teilen wir die Aufgaben des Datenaustauschs in drei Schichten ein. Die Anwendungsschicht bestimmt die inhaltlichen Regeln zwischen Programmen, etwa die Bedeutung einer Anfrage. Die Transportschicht stellt den Datentransport für Anwendungen bereit; hier arbeiten TCP und UDP. Die Internetschicht ermöglicht mit IP die Weiterleitung von Paketen zum Ziel.

Mit dem inhaltlichen Austausch von Anwendungsdaten meinen wir hier die Regeln und Bedeutungen der Anwendung. Auch TCP und IP befördern diese Daten. Das bloße Mitführen eines Nachrichtentextes macht ihre Arbeit daher nicht zu einer Aufgabe der Anwendungsschicht.

TCP behandelt fehlende Daten in der Transportschicht. Sequenznummern und Bestätigungen helfen dabei, Lücken und ausstehenden Empfang zu erkennen. Läuft die Wartezeit für eine ausstehende Bestätigung ab, sendet TCP die betreffenden Daten erneut. Auch eine starke Verzögerung kann eine Wiederholung auslösen. TCP prüft außerdem Übertragungsfehler mithilfe einer Prüfsumme, eines aus den Segmentdaten berechneten Prüfwerts. Zuverlässigkeit bedeutet keine unbegrenzte Zustellgarantie: Bei dauerhaften Problemen kann eine Zeitüberschreitung zum Verbindungsabbruch führen.

TCP selbst verschlüsselt nicht. Verschlüsseln bedeutet, Daten mithilfe eines Schlüssels in eine geschützte Form umzuwandeln. Ein Schlüssel ist dabei eine festgelegte Folge von Bits, die die Umwandlung steuert. Ein zusätzliches Protokoll wie TLS übernimmt solchen Schutz. TLS steht für Transport Layer Security, etwa „Schutz für den Datentransport“. Auch IP selbst übernimmt die hier beschriebene Verschlüsselung nicht. Erneutes Senden und Verschlüsseln lösen unterschiedliche Aufgaben: Das eine behandelt Verluste, das andere schützt den Dateninhalt vor Mitlesen.