TCP

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist eine Vereinbarung (Protokoll) darüber, auf welche Art und Weise Daten zwischen Computern ausgetauscht werden sollen. Alle Betriebssysteme moderner Computer beherrschen TCP und nutzen es für den Datenaustausch mit anderen Rechnern. Das Protokoll ist ein zuverlässiges, verbindungsorientiertes Transportprotokoll in Computernetzwerken. Es ist Teil der Internetprotokollfamilie, der Grundlage des Internets.

Entwickelt wurde TCP von Robert E. Kahn und Vinton G. Cerf. Ihre Forschungsarbeit, die sie im Jahre 1973 begannen, dauerte mehrere Jahre. Die erste Standardisierung von TCP erfolgte deshalb erst im Jahre 1981 als RFC 793. Danach gab es viele Erweiterungen, die bis heute in neuen RFCs, einer Reihe von technischen und organisatorischen Dokumenten zum Internet, spezifiziert werden und alle zu TCP gehören.

Im Unterschied zum verbindungslosen UDP (User Datagram Protocol) stellt TCP einen virtuellen Kanal zwischen zwei Endpunkten einer Netzwerkverbindung (Sockets) her. Auf diesem Kanal können in beide Richtungen Daten übertragen werden. TCP setzt in den meisten Fällen auf das IP (Internet-Protokoll) auf, weshalb häufig (und oft nicht ganz korrekt) auch vom „TCP/IP-Protokoll“ die Rede ist. Es ist in Schicht 4 des OSI-Referenzmodells angesiedelt.

Aufgrund seiner vielen angenehmen Eigenschaften (Datenverluste werden erkannt und automatisch behoben, Datenübertragung ist in beiden Richtungen möglich, Netzwerküberlastung wird verhindert usw.) ist TCP ein sehr weit verbreitetes Protokoll zur Datenübertragung. Beispielsweise wird TCP als (fast) ausschließliches Transportmedium für das WWW, E-Mail, Daten in Peer-to-Peer-Netzwerken und viele andere populäre Netzwerkdienste verwendet.

TCP ist im Prinzip eine Ende-zu-Ende-Verbindung in Vollduplex, welche die Übertragung der Informationen in beide Richtungen zu gleicher Zeit zulässt, analog zum Telefongespräch. Diese Verbindung kann in zwei Halbduplexverbindungen, bei denen Informationen in beide Richtungen (allerdings nicht gleichzeitig) fließen können, eingeteilt werden. Die Daten in Gegenrichtung können dabei zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten. Die Verwaltung (management) dieser Verbindung sowie die Datenübertragung werden von der TCP-Software übernommen, wie in Abb. 1 dargestellt. Die TCP-Software ist eine Funktionssammlung und (je nach Betriebssystem unterschiedlich) beispielsweise bei Microsoft Windows in extra einzubindenden Programmbibliotheken („Winsock.dll“ bzw. „wsock32.dll“) oder bei Linux auch im Betriebssystemkern, dem Linux-Kernel, angesiedelt. Anwendungen, die diese Software häufig nutzen, sind zum Beispiel Webbrowser und Webserver.

Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte identifiziert. Ein Endpunkt stellt ein geordnetes Paar dar, bestehend aus IP-Adresse und Port. Ein solches Paar bildet eine bi-direktionale Software-Schnittstelle und wird auch als Socket bezeichnet. Mit Hilfe der IP-Adressen werden die an der Verbindung beteiligten Rechner identifiziert; mit Hilfe der Ports werden dann auf den beiden beteiligten Rechnern die beiden miteinander kommunizierenden Programme identifiziert.

Durch die Verwendung von Portnummern auf beiden Seiten der Verbindung ist es beispielsweise möglich, dass ein Webserver auf einem Port (normalerweise Port 80) gleichzeitig mehrere Verbindungen zu einem anderen Rechner geöffnet haben kann.

Ports sind 16-Bit-Zahlen (Portnummern) und reichen von 0 bis 65535. Ports von 0 bis 1023 sind reserviert (englisch: well known ports[1]) und werden von der IANA vergeben, z. B. ist Port 80 für das im WWW verwendete HTTP-Protokoll reserviert.

Allerdings ist das Benutzen der vordefinierten Ports nicht bindend. So kann jeder Administrator beispielsweise einen FTP-Server (normalerweise Port 21) auch auf einem beliebigen anderen Port laufen lassen.

Ein Webserver, der seinen Dienst anbietet, generiert einen Endpunkt mit der Portnummer und seiner IP-Adresse. Dies wird als passive open oder auch als listen bezeichnet.

Will ein Client eine Verbindung aufbauen, generiert er einen eigenen Endpunkt aus seiner Rechneradresse und einer eigenen, noch freien Portnummer. Mit Hilfe eines ihm bekannten Ports und der Adresse des Servers kann dann eine Verbindung aufgebaut werden. Eine TCP-Verbindung definiert sich immer aus:

* Quell-IP-Adresse
* Quell-Port
* Ziel-IP-Adresse
* Ziel-Port

Während der Datenübertragungsphase (active open) sind die Rollen von Client und Server (aus TCP-Sicht) vollkommen symmetrisch. Insbesondere kann jeder der beiden beteiligten Rechner einen Verbindungsabbau einleiten.

Während des Abbaus kann die Gegenseite noch Daten übertragen, die Verbindung kann also halb-offen sein.

Drei-Wege-Handshake ist die Bezeichnung für ein bestimmtes Verfahren, um eine in Bezug auf Übertragungsverluste sichere Datenübertragung zwischen zwei Instanzen zu ermöglichen. Obwohl überwiegend in der Netzwerktechnik verwendet, ist der Drei-Wege-Handshake nicht auf diese beschränkt.

Beim Aufbau einer TCP-Verbindung kommt der sogenannte Drei-Wege-Handshake zum Einsatz. Der Rechner, der die Verbindung aufbauen will, sendet dem anderen ein SYN-Paket (von engl. synchronize) mit einer Sequenznummer x. Die Sequenznummern sind dabei für die Sicherstellung einer vollständigen Übertragung in der richtigen Reihenfolge und ohne Duplikate wichtig. Es handelt sich also um ein Paket, dessen SYN-Bit im Paketkopf gesetzt ist (siehe TCP-Header). Die Start-Sequenznummer ist eine beliebige Zahl, deren Generierung von der jeweiligen TCP-Implementierung abhängig ist. Sie sollte jedoch möglichst zufällig sein, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden [2].

Die Gegenstelle (siehe Skizze) empfängt das Paket. Ist der Port geschlossen, antwortet sie mit einem TCP-RST um zu signalisieren, dass keine Verbindung aufgebaut werden kann. Ist der Port geöffnet, sendet sie in einem eigenen SYN-Paket im Gegenzug ihre Start-Sequenznummer y (die ebenfalls beliebig und unabhängig von der Start-Sequenznummer der Gegenstelle ist). Zugleich bestätigt sie den Erhalt des ersten SYN-Pakets, indem sie die Sequenznummer x um eins erhöht und im ACK-Teil (von engl. acknowledgment = Bestätigung) des Headers zurückschickt.

Der Client bestätigt zuletzt den Erhalt des SYN/ACK-Pakets durch das Senden eines eigenen ACK-Pakets mit der Sequenznummer y+1. Dieser Vorgang wird auch als „Forward Acknowledgment“ bezeichnet. Außerdem sendet der Client den Wert x+1 aus Sicherheitsgründen ebenso zurück. Dieses ACK-Segment erhält der Server, das ACK-Segment ist durch das gesetzte ACK-Flag gekennzeichnet. Die Verbindung ist damit aufgebaut.

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