TCP-Grundlagen

Was ist TCP und wofür brauchen wir es?

Der zuverlässige Datenkurier

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist ein zentrales Protokoll des Internets, das für eine zuverlässige, geordnete und fehlerfreie Übertragung von Daten sorgt. Stell dir TCP wie einen Einschreiben-Kurierdienst vor: Du bekommst eine Garantie, dass deine Sendung vollständig und unbeschädigt ankommt, und erhältst sogar eine Empfangsbestätigung. Im Gegensatz dazu gibt es Protokolle wie UDP, die eher einer Postkarte gleichen – schnell, aber ohne Garantie auf Ankunft oder richtige Reihenfolge. TCP wird immer dann eingesetzt, wenn die Datenintegrität entscheidend ist, zum Beispiel beim Aufrufen von Webseiten (HTTPS), beim Herunterladen von Dateien (FTP) oder beim Versenden von E-Mails (SMTP).

Verbindungsorientiert: Der sichere Handschlag

Bevor TCP auch nur ein einziges Datenbyte sendet, baut es eine stabile Verbindung zwischen Sender und Empfänger auf. Dieser Prozess wird als Drei-Wege-Handschlag (Three-Way Handshake) bezeichnet und funktioniert wie ein kurzes Telefongespräch:

1. SYN: Der Sender ruft an und fragt: "Hallo, kannst du mich hören und bist du bereit für Daten?"
2. SYN-ACK: Der Empfänger antwortet: "Ja, ich höre dich und bin ebenfalls bereit. Hörst du mich auch?"
3. ACK: Der Sender bestätigt: "Ja, ich höre dich auch. Super, dann können wir jetzt mit der Datenübertragung beginnen."
   Erst nach diesem erfolgreichen "Handschlag" werden die eigentlichen Daten gesendet. Diese Verbindung bleibt während der gesamten Kommunikation bestehen und wird am Ende sauber wieder abgebaut.

Wie stellt TCP die zuverlässige Übertragung sicher?

Segmente, Header und Ports

TCP zerlegt größere Datenmengen in kleinere, handliche Pakete, die Segmente genannt werden. Jedes dieser Segmente erhält einen zusätzlichen Informationsblock, den Header, der wie ein detaillierter Adressaufkleber funktioniert. Dieser Header enthält entscheidende Informationen:

• Portnummern: Ohne Ports wüsste dein Computer zwar, dass ein Datenpaket für ihn ist (dank der IP-Adresse), aber nicht, ob es für deinen Browser, dein E-Mail-Programm oder ein Online-Spiel bestimmt ist. Ports sind wie Wohnungsnummern in einem großen Mehrfamilienhaus – sie stellen sicher, dass die Daten bei der richtigen Anwendung ankommen. Webseiten werden zum Beispiel oft über Port 443 (HTTPS) angesprochen.
• Sequenznummern: Jedes Segment wird durchnummeriert. So kann der Empfänger sicherstellen, dass alle Teile in der korrekten Reihenfolge wieder zusammengesetzt werden, selbst wenn sie auf dem Weg durch das Internet unterschiedliche Routen genommen haben.
• Bestätigungsnummern (Acknowledgements): Der Empfänger bestätigt den Erhalt der Segmente, damit der Sender weiß, dass alles angekommen ist.

Fehlerkorrektur: Wenn Daten verloren gehen

Das Herzstück der Zuverlässigkeit von TCP ist die Fehlerkorrektur. Stell dir vor, du schickst eine lange Geschichte, aufgeteilt auf nummerierte Seiten.

• Der Sender verschickt die Seiten (Segmente) mit fortlaufenden Sequenznummern.
• Der Empfänger bestätigt jede erhaltene Seite mit einer Bestätigung (Acknowledgement) und teilt mit, welche Seite er als Nächstes erwartet. ("Seite 5 erhalten, erwarte Seite 6.")
• Erhält der Sender für eine Seite innerhalb einer bestimmten Zeit keine Bestätigung, geht er davon aus, dass sie verloren gegangen ist, und wird sie erneut senden (Retransmission).
  Dieser Mechanismus stellt sicher, dass keine Daten verloren gehen und die Nachricht am Ende vollständig und in der richtigen Reihenfolge beim Empfänger ankommt.

Datenfluss steuern: Damit nichts überläuft oder verloren geht

TCP sorgt nicht nur dafür, dass Daten ankommen, sondern auch dafür, dass die Übertragung reibungslos verläuft.

• Flusskontrolle: Der Empfänger teilt dem Sender kontinuierlich mit, wie viel Pufferplatz er noch hat. Der Sender passt seine Sendegeschwindigkeit daraufhin an, um den Empfänger nicht mit Daten zu überfluten. Das ist wie eine fahrende Person eines LKW, die nur so viele Kisten liefert, wie das Lager des Empfängers gerade aufnehmen kann.
• Staukontrolle: TCP überwacht den Zustand des gesamten Netzwerks. Bemerkt es Anzeichen für eine Überlastung (z.B. viele verlorene Pakete), drosselt es automatisch die Sendegeschwindigkeit, um einen "Netzwerkstau" zu vermeiden. Dies ist vergleichbar mit einem Navigationssystem, das bei hohem Verkehrsaufkommen eine langsamere Geschwindigkeit empfiehlt, um den Verkehrsfluss für alle zu verbessern.

Lernziele

• den Zweck des TCP-Protokolls veranschaulichen, unter der Verwendung von Beispielen für verbindungsorientierte Datenübertragung, wobei die Vorteile gegenüber verbindungsloser Datenübertragung erläutert werden muss.
• die wichtigsten Begriffe und Terminologien des TCP-Protokolls abzurufen, einschließlich Begriffe wie Datagram, Segment, Header, und Port, wobei die Funktion und Relevanz jedes Begriffs im Kontext der TCP-Datenübertragung klar erklärt werden müssen.
• die Adressierung von Anwendungen durch TCP erklären, indem sie das Konzept von Ports und deren Rolle bei der Zuordnung von Daten zu den richtigen Anwendungen erläutern.
• das Konzept der verbindungsorientierten Datenübertragung im TCP-Protokoll veranschaulichen, unter besonderer Berücksichtigung der Fehlerkorrekturmechanismen, wobei die Schritte bei fehlerhaft übertragenen Daten grob beschrieben werden müssen.