TCP (Transmission Control Protocol)

Überblick

TCP ist ein verbindungsorientiertes Transportprotokoll auf Schicht 4 des OSI-Modells, spezifiziert in RFC 9293. Es macht aus der unzuverlässigen Paketauslieferung von IP einen zuverlässigen, geordneten Bytestrom zwischen zwei Anwendungen: Was auf der einen Seite geschrieben wird, kommt auf der anderen Seite vollständig, in der richtigen Reihenfolge und ohne Duplikate an, andernfalls meldet die Verbindung einen Fehler. Ein TCP-Endpunkt wird über die Kombination aus IP-Adresse und Portnummer angesprochen.

Eigenschaften

Eigenschaft	Verhalten bei TCP
Verbindung	Verbindungsorientiert, vor den ersten Nutzdaten wird eine Verbindung aufgebaut
Auslieferung	Zuverlässig, verlorene Segmente werden erneut gesendet
Reihenfolge	Garantiert, Segmente werden vor der Auslieferung nach Sequenznummer sortiert
Duplikate	Werden erkannt und verworfen
Datenmodell	Durchgehender Bytestrom, Nachrichtengrenzen bleiben nicht erhalten
Richtung	Vollduplex, beide Seiten dürfen gleichzeitig senden
Flusskontrolle	Ja, über das Empfangsfenster
Staukontrolle	Ja, die Senderate passt sich der Last im Netz an
Headergröße	Mindestens 20 Byte, mit Optionen bis 60 Byte
Broadcast / Multicast	Nicht möglich, eine Verbindung hat immer genau zwei Endpunkte

Der Overhead dieser Garantien besteht aus einem größeren Header, einem zusätzlichen Round Trip für den Verbindungsaufbau und Verzögerung, sobald ein verlorenes Segment wiederholt werden muss.

Segment-Header

Feld	Zweck
Quellport	Port der sendenden Anwendung
Zielport	Port der empfangenden Anwendung
Sequenznummer	Position des ersten Nutzdatenbytes dieses Segments im Bytestrom
Bestätigungsnummer	Nächstes Byte, das der Absender dieses Segments erwartet
Flags	Steuerbits, siehe unten
Window	Anzahl Bytes, die der Absender dieses Segments aktuell aufnehmen kann
Prüfsumme	Fehlererkennung über Header und Nutzdaten
Optionen	Maximum Segment Size, Window Scaling, Selective Acknowledgement

Steuerflags

Flag	Bedeutung
`SYN` (Synchronize)	Fordert eine Verbindung an und synchronisiert die Sequenznummern
`ACK` (Acknowledgement)	Die Bestätigungsnummer ist gültig
`FIN` (Finish)	In dieser Richtung werden keine Daten mehr gesendet
`RST` (Reset)	Bricht die Verbindung sofort und ohne geordneten Abbau ab
`PSH` (Push)	Fordert den Empfänger auf, die Daten ohne Verzögerung an die Anwendung weiterzugeben
`URG` (Urgent)	Kennzeichnet dringende Daten (in der Praxis veraltet)

Verbindungsaufbau (Drei-Wege-Handshake)

Beide Seiten geben ihre eigene Anfangssequenznummer bekannt (x und y im Diagramm) und bestätigen die der Gegenseite mit ack = x + 1 bzw. ack = y + 1.

Client                                           Server

  | ---- SYN, seq = x -------------------------> |   wartet auf Verbindungen
  |                                              |
  | <--- SYN, ACK, seq = y, ack = x + 1 -------- |   Verbindung angenommen
  |                                              |
  | ---- ACK, ack = y + 1 ---------------------> |   Verbindung aufgebaut
  |                                              |
  | ==== Nutzdaten ============================> |

Der Client weiß nach dem zweiten Segment und der Server nach dem dritten Segment, dass die Verbindung in beide Richtungen funktioniert.
Der Handshake kostet einen Round Trip, bevor das erste Nutzdatenbyte gesendet werden kann.
Ein SYN an einen geschlossenen Port wird mit RST beantwortet. Daran unterscheidet ein Portscan einen geschlossenen von einem gefilterten Port.

Verbindungsabbau

Ein geordneter Abbau schließt jede Richtung einzeln und benötigt daher vier Segmente. FIN bedeutet nur diese Seite hat mit dem Senden abgeschlossen. Die andere Richtung darf weiterhin Daten übertragen (Half-Close).

Client                                           Server

  | ---- FIN ----------------------------------> |
  | <--- ACK ----------------------------------- |
  | <--- FIN ----------------------------------- |
  | ---- ACK ----------------------------------> |
  |                                              |
  | (TIME_WAIT, danach wird die Verbindung frei) |

Die Seite, die zuerst schließt, verbleibt kurze Zeit im Zustand TIME_WAIT, damit verspätete Segmente der alten Verbindung nicht für Segmente einer neuen Verbindung mit demselben Portpaar gehalten werden. Ein RST überspringt dieses Verfahren und verwirft alles, was noch unterwegs ist.

Zuverlässigkeit

Sequenznummern: Jedes Nutzdatenbyte hat eine Position im Strom, was Sortierung und Duplikaterkennung ermöglicht.
Bestätigungen: Der Empfänger bestätigt das nächste erwartete Byte und damit kumulativ alles bisher Empfangene.
Retransmission Timeout: Ein Segment, das nicht innerhalb der Wartezeit bestätigt wird, wird erneut gesendet. Die Wartezeit ergibt sich aus der gemessenen Round Trip Time.
Fast Retransmit: Mehrere doppelte Bestätigungen für dasselbe Byte deuten auf ein einzelnes verlorenes Segment hin und lösen eine Wiederholung aus, bevor die Wartezeit abläuft.
Prüfsumme: Ein beschädigtes Segment wird verworfen und damit nie bestätigt. Die fehlende Bestätigung löst eine Wiederholung aus.
Selective Acknowledgement (SACK): Eine Option, mit der der Empfänger genau melden kann, welche Bytebereiche angekommen sind, sodass nur die fehlenden Bereiche wiederholt werden.

Flusskontrolle

Die Flusskontrolle schützt den Empfänger vor Überlastung. Jedes Segment meldet im Window-Feld, wie viele Bytes sein Absender aktuell puffern kann. Die Gegenseite darf niemals mehr unbestätigte Daten unterwegs haben, als dieses Fenster erlaubt.

Ein Empfänger mit vollem Puffer meldet ein Fenster von null. Der Sender pausiert dann, bis ein späteres Segment ein größeres Fenster meldet.

Staukontrolle

Die Staukontrolle schützt das Netz vor Überlastung und arbeitet unabhängig vom Empfangsfenster. Die effektive Sendegrenze ist der kleinere Wert aus Empfangsfenster und Staufenster.

Phase	Verhalten
Slow Start	Das Staufenster startet klein und wächst exponentiell
Congestion Avoidance	Oberhalb eines Schwellwerts wächst das Fenster nur noch linear
Verlust erkannt	Das Fenster wird verkleinert, weil Paketverlust auf Stau hindeutet
Fast Recovery	Nach einem Fast Retransmit läuft die Übertragung mit verkleinertem Fenster weiter

Typische Einsatzgebiete

TCP vs. UDP

	TCP	UDP
Kriterium	Vollständigkeit ist wichtiger als Latenz	Ein verspätetes Paket ist wertlos, oder der Aufwand einer Verbindung übersteigt die Nutzdaten
Beispiele	Dateiübertragung, Webseiten, E-Mail, Fernadministration, Datenbankverbindungen	Live-Audio und -Video, Online-Spiele, einfache Frage-Antwort-Protokolle

Bekannte TCP-Ports

Port	Dienst
20/21	FTP-Daten / FTP-Steuerung
22	SSH
25	SMTP
53	DNS-Zonentransfers und Antworten oberhalb der UDP-Größengrenze
80	HTTP
110/995	POP3 / POP3S
143/993	IMAP / IMAPS
443	HTTPS
3306	MySQL / MariaDB

Siehe auch

UDP: das verbindungslose Gegenstück ohne Verbindungsaufbau, Zuverlässigkeit oder Flusskontrolle
OSI-Modell: wo die Transportschicht zwischen Netzwerk- und Sitzungsschicht sitzt

Überblick​

Eigenschaften​

Segment-Header​

Steuerflags​

Verbindungsaufbau (Drei-Wege-Handshake)​

Verbindungsabbau​

Zuverlässigkeit​

Flusskontrolle​

Staukontrolle​

Typische Einsatzgebiete​

TCP vs. UDP​

Bekannte TCP-Ports​

Siehe auch​