TCP vs. UDP: Die Debatte um Zuverlässigkeit vs. Effizienz – einfach erklärt

Heute beginnen wir mit TCP. Bereits im Kapitel über die Schichtenarchitektur haben wir einen wichtigen Punkt angesprochen: Auf der Netzwerkschicht und darunter geht es hauptsächlich um Host-zu-Host-Verbindungen. Das bedeutet, dass Ihr Computer wissen muss, wo sich ein anderer Computer befindet, um eine Verbindung herzustellen. Die Kommunikation in einem Netzwerk ist jedoch häufiger eine Interprozesskommunikation als eine Kommunikation zwischen Rechnern. Daher führt das TCP-Protokoll das Konzept des Ports ein. Ein Port kann nur von einem Prozess belegt werden, wodurch die direkte Kommunikation zwischen Anwendungsprozessen ermöglicht wird, die auf verschiedenen Hosts laufen.

Die Aufgabe der Transportschicht besteht darin, die direkte Kommunikation zwischen Anwendungsprozessen auf verschiedenen Hosts zu ermöglichen. Daher wird sie auch als Ende-zu-Ende-Protokoll bezeichnet. Die Transportschicht verbirgt die Kerndetails des Netzwerks und ermöglicht es dem Anwendungsprozess, einen logischen Ende-zu-Ende-Kommunikationskanal zwischen den beiden Komponenten der Transportschicht wahrzunehmen.

TCP steht für Transmission Control Protocol und ist ein verbindungsorientiertes Protokoll. Das bedeutet, dass vor dem Datenaustausch zwischen zwei Anwendungen ein Handshake durchgeführt werden muss. Der Handshake ist ein logischer Verbindungsprozess, der eine zuverlässige Übertragung und einen geordneten Empfang von Daten gewährleistet. Dabei wird eine Verbindung zwischen Quell- und Zielrechner hergestellt, indem eine Reihe von Kontrollpaketen ausgetauscht und Parameter sowie Regeln für die erfolgreiche Datenübertragung vereinbart werden.

Was ist TCP? (Mylinking'sNetzwerk-AbhöreUndNetzwerkpaketbrokerkonnte sowohl TCP- als auch UDP-Pakete verarbeiten)
TCP (Transmission Control Protocol) ist ein verbindungsorientiertes, zuverlässiges, auf Byte-Streams basierendes Transportprotokoll.

VerbindungsorientiertVerbindungsorientiert bedeutet, dass die TCP-Kommunikation eine Eins-zu-Eins-Kommunikation ist, also eine Punkt-zu-Punkt-Ende-zu-Ende-Kommunikation, im Gegensatz zu UDP, das Nachrichten an mehrere Hosts gleichzeitig senden kann, sodass eine Eins-zu-Viele-Kommunikation nicht möglich ist.
ZuverlässigDie Zuverlässigkeit von TCP gewährleistet, dass Pakete unabhängig von Änderungen in der Netzwerkverbindung zuverlässig an den Empfänger zugestellt werden, was das Protokollpaketformat von TCP komplexer macht als das von UDP.
Byte-Stream-basiertDie Byte-Stream-basierte Natur von TCP ermöglicht die Übertragung von Nachrichten beliebiger Größe und garantiert die Nachrichtenreihenfolge: Selbst wenn die vorherige Nachricht nicht vollständig empfangen wurde und selbst wenn die nachfolgenden Bytes empfangen wurden, leitet TCP sie nicht zur Verarbeitung an die Anwendungsschicht weiter und verwirft automatisch doppelte Pakete.
Sobald Host A und Host B eine Verbindung hergestellt haben, benötigt die Anwendung lediglich die virtuelle Kommunikationsleitung zum Senden und Empfangen von Daten, wodurch die Datenübertragung sichergestellt wird. Das TCP-Protokoll ist für die Steuerung von Aufgaben wie Verbindungsaufbau, -abbau und -haltung zuständig. Hierbei ist zu beachten, dass die virtuelle Leitung lediglich den Verbindungsaufbau bezeichnet. Die TCP-Protokollverbindung signalisiert lediglich, dass die beiden Seiten mit der Datenübertragung beginnen können und die Zuverlässigkeit der Daten gewährleistet ist. Routing und Transport werden von den Netzwerkgeräten gesteuert; das TCP-Protokoll selbst ist für diese Details nicht zuständig.

Eine TCP-Verbindung ist ein Vollduplex-Dienst, was bedeutet, dass Host A und Host B Daten in beide Richtungen über eine TCP-Verbindung übertragen können. Das heißt, Daten können bidirektional zwischen Host A und Host B ausgetauscht werden.

TCP speichert Daten temporär im Sendepuffer der Verbindung. Dieser Sendepuffer ist einer der Caches, die während des Drei-Wege-Handshakes eingerichtet werden. Anschließend sendet TCP die Daten aus dem Sendecache zum passenden Zeitpunkt an den Empfangscache des Zielhosts. In der Praxis verfügt jeder Peer über einen Sendecache und einen Empfangscache, wie hier dargestellt:

Der Sendepuffer ist ein vom TCP-System auf Senderseite verwalteter Speicherbereich, der zur temporären Speicherung der zu sendenden Daten dient. Beim Drei-Wege-Handschlag zum Verbindungsaufbau wird der Sendepuffer eingerichtet und zur Datenspeicherung verwendet. Er wird dynamisch an die Netzwerkauslastung und das Feedback des Empfängers angepasst.

Ein Empfangspuffer ist ein Speicherbereich, der von der TCP-Implementierung auf der Empfangsseite verwaltet wird und zur temporären Speicherung empfangener Daten dient. TCP speichert die empfangenen Daten im Empfangscache und wartet darauf, dass die übergeordnete Anwendung sie liest.

Beachten Sie, dass die Größe des Sende- und Empfangscaches begrenzt ist. Wenn der Cache voll ist, kann TCP Strategien wie Staukontrolle, Flusskontrolle usw. anwenden, um eine zuverlässige Datenübertragung und Netzwerkstabilität zu gewährleisten.

In Computernetzwerken erfolgt die Datenübertragung zwischen Hosts mittels Segmenten. Was ist also ein Paketsegment?

TCP erstellt ein TCP-Segment (oder Paketsegment), indem es den eingehenden Datenstrom in Teile aufteilt und jedem Teil TCP-Header hinzufügt. Jedes Segment kann nur für eine begrenzte Zeit übertragen werden und darf die maximale Segmentgröße (MSS) nicht überschreiten. Auf dem Weg zur Datenverbindung durchläuft ein Paketsegment die Sicherungsschicht (Link Layer). Die Sicherungsschicht verfügt über eine maximale Übertragungseinheit (MTU), die die maximale Paketgröße angibt, die die Sicherungsschicht passieren kann. Die maximale Übertragungseinheit ist üblicherweise mit der Kommunikationsschnittstelle verknüpft.

Worin besteht also der Unterschied zwischen MSS und MTU?

In Computernetzwerken ist die hierarchische Architektur von großer Bedeutung, da sie die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ebenen berücksichtigt. Jede Schicht hat eine eigene Bezeichnung: In der Transportschicht werden die Daten als Segment bezeichnet, in der Netzwerkschicht als IP-Paket. Die maximale Übertragungseinheit (MTU) kann daher als die maximale Größe eines IP-Pakets verstanden werden, das von der Netzwerkschicht übertragen werden kann, während die maximale Segmentgröße (MSS) ein Konzept der Transportschicht ist, das die maximale Datenmenge angibt, die ein TCP-Paket gleichzeitig übertragen kann.

Beachten Sie, dass bei einer maximalen Segmentgröße (MSS) größer als die maximale Übertragungseinheit (MTU) die IP-Fragmentierung auf der Netzwerkschicht erfolgt und TCP die größeren Datenmengen nicht in Segmente aufteilt, die der MTU-Größe entsprechen. Es wird einen Abschnitt auf der Netzwerkschicht geben, der der IP-Schicht gewidmet ist.