TCP vs. UDP: Entmystifizierung der Debatte „Zuverlässigkeit vs. Effizienz“

Heute konzentrieren wir uns zunächst auf TCP. Zuvor haben wir im Kapitel über die Schichtung einen wichtigen Punkt erwähnt. Auf der Netzwerkebene und darunter geht es eher um Host-zu-Host-Verbindungen. Das bedeutet, dass Ihr Computer wissen muss, wo sich ein anderer Computer befindet, um sich mit ihm verbinden zu können. Kommunikation in einem Netzwerk erfolgt jedoch häufig zwischen Prozessen und nicht zwischen Maschinen. Daher führt das TCP-Protokoll das Konzept des Ports ein. Ein Port kann nur von einem Prozess belegt werden, was die direkte Kommunikation zwischen Anwendungsprozessen auf verschiedenen Hosts ermöglicht.

Die Aufgabe der Transportschicht besteht darin, direkte Kommunikationsdienste zwischen Anwendungsprozessen auf verschiedenen Hosts bereitzustellen. Daher wird sie auch als End-to-End-Protokoll bezeichnet. Die Transportschicht verbirgt die Kerndetails des Netzwerks, sodass der Anwendungsprozess einen logischen End-to-End-Kommunikationskanal zwischen den beiden Transportschichteinheiten sieht.

TCP steht für Transmission Control Protocol und ist ein verbindungsorientiertes Protokoll. Das bedeutet, dass die beiden Prozesse einen Handshake durchführen müssen, bevor eine Anwendung Daten an die andere senden kann. Ein Handshake ist ein logisch verknüpfter Prozess, der eine zuverlässige Übertragung und einen ordnungsgemäßen Empfang von Daten gewährleistet. Während des Handshakes wird eine Verbindung zwischen Quell- und Zielhost hergestellt, indem eine Reihe von Steuerpaketen ausgetauscht und einige Parameter und Regeln vereinbart werden, um eine erfolgreiche Datenübertragung zu gewährleisten.

Was ist TCP? (MylinkingsNetzwerk-TapUndNetzwerkpaketbrokerkönnte sowohl TCP- als auch UDP-Pakete verarbeiten)
TCP (Transmission Control Protocol) ist ein verbindungsorientiertes, zuverlässiges, bytestrombasiertes Kommunikationsprotokoll der Transportschicht.

Verbindungsorientiert: Verbindungsorientiert bedeutet, dass die TCP-Kommunikation eins zu eins erfolgt, also eine Punkt-zu-Punkt-End-zu-Ende-Kommunikation. Im Gegensatz zu UDP, das Nachrichten gleichzeitig an mehrere Hosts senden kann, ist eine Eins-zu-viele-Kommunikation nicht möglich.
Zuverlässig: Die Zuverlässigkeit von TCP stellt sicher, dass Pakete unabhängig von Änderungen der Netzwerkverbindung zuverlässig an den Empfänger zugestellt werden, wodurch das Protokollpaketformat von TCP komplexer ist als das von UDP.
Byte-Stream-basiert: Die bytestreambasierte Natur von TCP ermöglicht die Übertragung von Nachrichten jeder Größe und garantiert die Nachrichtenreihenfolge: Auch wenn die vorherige Nachricht nicht vollständig empfangen wurde und auch wenn die nachfolgenden Bytes empfangen wurden, übergibt TCP sie nicht an die Anwendungsschicht zur Verarbeitung und verwirft doppelte Pakete automatisch.
Sobald Host A und Host B eine Verbindung hergestellt haben, muss die Anwendung lediglich die virtuelle Kommunikationsleitung zum Senden und Empfangen von Daten nutzen, um die Datenübertragung sicherzustellen. Das TCP-Protokoll ist für die Steuerung von Aufgaben wie Verbindungsaufbau, -trennung und -haltung verantwortlich. Es ist zu beachten, dass die virtuelle Leitung hier nur den Verbindungsaufbau bezeichnet. Die TCP-Protokollverbindung hingegen bedeutet lediglich, dass beide Seiten mit der Datenübertragung beginnen können und die Zuverlässigkeit der Daten gewährleistet ist. Die Routing- und Transportknoten werden von den Netzwerkgeräten verwaltet; das TCP-Protokoll selbst befasst sich nicht mit diesen Details.

Eine TCP-Verbindung ist ein Vollduplex-Dienst. Das bedeutet, dass Host A und Host B in einer TCP-Verbindung Daten in beide Richtungen übertragen können. Das heißt, Daten können in einem bidirektionalen Fluss zwischen Host A und Host B übertragen werden.

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

Der Sendepuffer ist ein Speicherbereich, der von der TCP-Implementierung auf der Senderseite verwaltet wird und zum temporären Speichern zu sendender Daten dient. Beim Drei-Wege-Handshake zum Herstellen einer Verbindung wird der Sendecache eingerichtet und zum Speichern der Daten verwendet. Der Sendepuffer 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 zum temporären Speichern 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 Empfangscache begrenzt ist. Wenn der Cache voll ist, kann TCP bestimmte Strategien anwenden, wie z. B. Überlastungskontrolle, Flusskontrolle usw., um eine zuverlässige Datenübertragung und Netzwerkstabilität sicherzustellen.

In Computernetzwerken erfolgt die Datenübertragung zwischen Hosts über Segmente. Was ist also ein Paketsegment?

TCP erstellt ein TCP-Segment (Paketsegment), indem der eingehende Datenstrom in Blöcke aufgeteilt und jedem Block TCP-Header hinzugefügt werden. Jedes Segment kann nur für eine begrenzte Zeit übertragen werden und darf die maximale Segmentgröße (MSS) nicht überschreiten. Auf dem Weg nach unten durchläuft ein Paketsegment die Verbindungsschicht. Die Verbindungsschicht verfügt über eine maximale Übertragungseinheit (MTU), die die maximale Paketgröße angibt, die die Datenverbindungsschicht passieren kann. Die maximale Übertragungseinheit bezieht sich in der Regel auf die Kommunikationsschnittstelle.

Was ist also der Unterschied zwischen MSS und MTU?

In Computernetzwerken ist die hierarchische Architektur sehr wichtig, da sie die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ebenen berücksichtigt. Jede Schicht hat einen anderen Namen; in der Transportschicht werden die Daten als Segmente und in der Netzwerkschicht als IP-Pakete bezeichnet. Daher kann die Maximum Transmission Unit (MTU) als die maximale IP-Paketgröße betrachtet werden, die von der Netzwerkschicht übertragen werden kann, während die Maximum Segment Size (MSS) ein Konzept der Transportschicht ist, das sich auf die maximale Datenmenge bezieht, die gleichzeitig von einem TCP-Paket übertragen werden kann.

Beachten Sie: Wenn die maximale Segmentgröße (MSS) größer als die maximale Übertragungseinheit (MTU) ist, erfolgt die IP-Fragmentierung auf der Netzwerkebene. TCP teilt die größeren Daten nicht in Segmente auf, die der MTU-Größe entsprechen. Auf der Netzwerkebene wird ein eigener Abschnitt für die IP-Ebene eingerichtet.