01-07-2024, 22:45
TCP, oder das Transmission Control Protocol, gibt es schon ewig; es ist wie das Rückgrat des Internets, nicht wahr? Wenn man also mit asymmetrischen Netzwerken zu tun hat, bei denen die Hin- und Rückreisezeiten (RTT) unterschiedlich sind, können die Dinge ein wenig interessant werden. Ich habe mit vielen Netzwerken gearbeitet, also lassen Sie uns gemeinsam entpacken, wie TCP mit diesen Arten von Situationen umgeht.
Zunächst einmal, wenn wir von RTT sprechen, beziehen wir uns auf die Zeit, die benötigt wird, damit ein kleines Datenpaket von Ihrem Gerät zu einem Server und zurück gelangt. In einer idealen Welt möchten Sie, dass diese Zeit in beiden Richtungen konsistent ist. In der Realität, insbesondere bei asymmetrischen Netzwerken – bei denen die Upload-Geschwindigkeiten von den Download-Geschwindigkeiten abweichen und die Reise, die jedes Paket antritt, möglicherweise nicht gleich ist – ist dies jedoch nicht der Fall. Sie könnten einen schönen schnellen Download haben, während Ihr Upload sich quält, oder umgekehrt. Dies kann aus verschiedenen Gründen geschehen: der physische Abstand zwischen den Geräten, die Pfade, die Pakete über Router nehmen, oder sogar die aktuelle Überlastung auf diesen Routen.
Wenn Sie nun Daten über TCP unter diesen Bedingungen senden, verwendet es ein sogenanntes Sliding-Window-Mechanismus zur Kontrolle des Datenflusses. Dieses Sliding Window ermöglicht es TCP, eine bestimmte Anzahl von Paketen zu senden, bevor eine Bestätigung benötigt wird, dass sie empfangen wurden. Was passiert also, wenn Sie unterschiedliche RTTs haben? Nun, TCP ist ziemlich clever darin, wie es sich an diese Unterschiede anpasst. Es misst ständig die Reisezeiten der Pakete und verwendet diese Messungen, um seine Sendehäufigkeit anzupassen. Das bedeutet, wenn eine Richtung langsamer ist (sagen wir, der Upload ist schmerzlich langsam, während die Downloads schnell sind), wird TCP darauf achten, wie lange es dauert, bis diese Bestätigungen zurückkommen.
Wissen Sie, wie es sich anfühlt, wenn Sie darauf warten, dass ein Freund Ihnen zurückschreibt? Man läuft herum und fragt sich, ob er Ihre Nachricht erhalten hat. So ähnlich funktioniert TCP. Wenn es eine längere Verzögerung gibt, um eine Bestätigung zurückzubekommen, weil der Upload-Pfad langsam ist, wird TCP die Menge der gesendeten Daten reduzieren. Es versucht, das Netzwerk nicht zu überlasten und sicherzustellen, dass der langsamere Pfad nicht überflutet wird. Um in unserem Freundesvergleich zu bleiben: Anstatt Ihrem Freund viele Nachrichten schnell nacheinander zu senden und das Risiko einzugehen, dass er sich überfordert fühlt, könnten Sie entscheiden, auf eine Antwort zu warten, bevor Sie mehr senden.
Ein weiterer Aspekt, den ich besonders interessant finde, ist, wie TCP mit Retransmissionen umgeht. Wenn ein Paket zu lange auf die Bestätigung wartet, nimmt TCP an, dass es auf dem Weg verloren gegangen sein könnte, und wird es erneut senden. Aber wenn wir es mit asymmetrischen Netzwerken zu tun haben, kann der Mechanismus von TCP zur Berechnung, wie lange gewartet werden soll, bevor entschieden wird, dass ein Paket verloren ist, beeinträchtigt werden. Hier wird es knifflig. Es geht nicht einfach davon aus, dass jede verspätete Bestätigung bedeutet, dass ein Paket verloren ist; es muss verschiedene Bedingungen in beide Richtungen berücksichtigen. Das bedeutet, dass TCP eine sogenannte "glättende RTT-Berechnung" verwendet. Es ist im Wesentlichen ein Durchschnitt, der im Laufe der Zeit auf der Grundlage der RTT-Messungen, die es sammelt, angepasst wird.
Denken Sie daran, wie Sie das Wetter im Auge behalten. Sie könnten bemerken, dass es normalerweise am Wochenende regnet, also beginnen Sie, Ihre Samstag-Aktivitäten mit diesem Wissen zu planen. Ähnlich sammelt TCP seine historischen Daten darüber, wie schnell Pakete hin und her gesendet werden, und das hilft ihm, informiertere Entscheidungen zu treffen. Wenn das Netzwerk also in eine Richtung langsamer wird, kann TCP seine Erwartungen anpassen und vermeiden, in Panik zu geraten oder zu viele Pakete auf einmal zu senden.
Nun, lassen Sie uns die Überlastung angehen. Wenn es einen Engpass gibt – insbesondere in asymmetrischen Netzwerken – macht TCP auch dabei einen großartigen Job. Es verwendet einen Algorithmus zur Staukontrolle, und einer der bekanntesten ist TCP Reno. Bei Überlastung wechselt TCP von seinem normalen Sendeverhalten in eine Phase, in der es den Zustand des Netzwerks sorgfältig verfolgt. Wenn es Paketverluste erkennt, nimmt es an, dass das Netzwerk überlastet ist, und reduziert den Datenfluss, anstatt das Netzwerk weiter zu überfluten.
Der wirklich coole Teil ist, dass TCP dies dynamisch tut. Wenn Sie in eine Richtung hochlatente Pfade haben, könnte die sendende TCP-Instanz aggressiver zurücktreten als in einem symmetrischen Szenario, in dem die Pakete auf beiden Wegen konsistente Verzögerungen haben. Es lernt und passt sich an, während sich die Bedingungen ändern. Wenn Sie also eine große Datei herunterladen und der Upload-Pfad plötzlich langsamer wird, weil jemand anders zu viel Bandbreite nutzt, wird TCP zurücktreten und sicherstellen, dass das Netzwerk für alle Beteiligten nutzbar bleibt.
Die Art und Weise, wie TCP mit Netzwerküberlastung umgeht, steht auch im Wettbewerb mit einem grundlegenden Kompromiss zwischen Durchsatz und Latenz. Wenn Sie an Anwendungen arbeiten, die TCP verwenden – wie beim Surfen im Internet oder bei Videoanrufen – wird dieser Kompromiss besonders wichtig. Wenn nur Sie versuchen, eine kleine Menge an Daten zu senden und die Upload-Geschwindigkeit schleppend ist, wird TCP langsamer, um das Problem nicht zu verschärfen, aber es wird auch versuchen, den Durchsatz basierend auf den bestehenden Bedingungen zu maximieren.
Haben Sie schon einmal bemerkt, dass Ihre Uploads manchmal länger dauern als erwartet, während Downloads in Ordnung sind? Das liegt daran, dass RTPs in diese gesamte Dynamik einfließen und die Art und Weise beeinflussen, wie TCP reagiert. Ich habe dies aus erster Hand während Videoanrufen erlebt, wenn die Kamera der anderen Person aufgrund von upstream-Bandbreitenbeschränkungen ruckelt. Es ist frustrierend, aber es ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie TCP aktiv wird, um sich anzupassen.
Dann gibt es das Konzept der "selektiven Bestätigung", kurz SACK. Dieses Feature ermöglicht es dem TCP-Empfänger, den Sender darüber zu informieren, welche Pakete erfolgreich empfangen wurden und welche verloren gingen. Selbst in asymmetrischen Netzwerken, wo Sie möglicherweise lange auf eine dieser Bestätigungen warten, kann der Sender genauere Informationen erhalten. Das bedeutet, dass Sie nicht alle Pakete erneut senden müssen; nur die, die tatsächlich vermisst werden. Es ist wie ein effizienteres Gespräch, wenn Sie sagen können: "Hey, ich habe die ersten drei Nachrichten erhalten, aber nicht die vierte."
TCP erfordert ein wenig Arbeit, um das ungleiche Spielfeld asymmetrischer Netzwerke zu verwalten. Aber sobald es sich durch gelerntes Verhalten und reaktionsschnelle Maßnahmen gefestigt hat, verwaltet es den Datenfluss effizient, selbst mit diesen lästigen unterschiedlichen RTTs. Für uns IT-Profis ist diese Anpassungsfähigkeit das, was die Arbeit mit TCP so spannend macht. Es ist beeindruckend, wie zugrunde liegende Protokolle optimiert werden können, um die Leistung trotz der Herausforderungen der realen Netzwerktechnik zu verbessern.
Wie Sie sehen können, hat TCP einen guten Griff darin, mit asymmetrischen Netzwerken umzugehen, selbst wenn es schwierig wird. Es passt sein Verhalten basierend auf den Messungen an, die es über den Zustand des Netzwerks vornimmt, und lernt und passt sich kontinuierlich an, um die Leistung zu maximieren. Ich finde das ziemlich bemerkenswert, besonders da wir in einer Welt leben, in der Daten ständig um Aufmerksamkeit kämpfen über ein verwobenes Netz von Verbindungen. Das nächste Mal, wenn Sie etwas streamen oder eine Datei senden, denken Sie daran, wie TCP unermüdlich im Hintergrund arbeitet, um alles reibungslos am Laufen zu halten. Es ist ein bisschen wie der unbesungene Held der digitalen Kommunikation.
Zunächst einmal, wenn wir von RTT sprechen, beziehen wir uns auf die Zeit, die benötigt wird, damit ein kleines Datenpaket von Ihrem Gerät zu einem Server und zurück gelangt. In einer idealen Welt möchten Sie, dass diese Zeit in beiden Richtungen konsistent ist. In der Realität, insbesondere bei asymmetrischen Netzwerken – bei denen die Upload-Geschwindigkeiten von den Download-Geschwindigkeiten abweichen und die Reise, die jedes Paket antritt, möglicherweise nicht gleich ist – ist dies jedoch nicht der Fall. Sie könnten einen schönen schnellen Download haben, während Ihr Upload sich quält, oder umgekehrt. Dies kann aus verschiedenen Gründen geschehen: der physische Abstand zwischen den Geräten, die Pfade, die Pakete über Router nehmen, oder sogar die aktuelle Überlastung auf diesen Routen.
Wenn Sie nun Daten über TCP unter diesen Bedingungen senden, verwendet es ein sogenanntes Sliding-Window-Mechanismus zur Kontrolle des Datenflusses. Dieses Sliding Window ermöglicht es TCP, eine bestimmte Anzahl von Paketen zu senden, bevor eine Bestätigung benötigt wird, dass sie empfangen wurden. Was passiert also, wenn Sie unterschiedliche RTTs haben? Nun, TCP ist ziemlich clever darin, wie es sich an diese Unterschiede anpasst. Es misst ständig die Reisezeiten der Pakete und verwendet diese Messungen, um seine Sendehäufigkeit anzupassen. Das bedeutet, wenn eine Richtung langsamer ist (sagen wir, der Upload ist schmerzlich langsam, während die Downloads schnell sind), wird TCP darauf achten, wie lange es dauert, bis diese Bestätigungen zurückkommen.
Wissen Sie, wie es sich anfühlt, wenn Sie darauf warten, dass ein Freund Ihnen zurückschreibt? Man läuft herum und fragt sich, ob er Ihre Nachricht erhalten hat. So ähnlich funktioniert TCP. Wenn es eine längere Verzögerung gibt, um eine Bestätigung zurückzubekommen, weil der Upload-Pfad langsam ist, wird TCP die Menge der gesendeten Daten reduzieren. Es versucht, das Netzwerk nicht zu überlasten und sicherzustellen, dass der langsamere Pfad nicht überflutet wird. Um in unserem Freundesvergleich zu bleiben: Anstatt Ihrem Freund viele Nachrichten schnell nacheinander zu senden und das Risiko einzugehen, dass er sich überfordert fühlt, könnten Sie entscheiden, auf eine Antwort zu warten, bevor Sie mehr senden.
Ein weiterer Aspekt, den ich besonders interessant finde, ist, wie TCP mit Retransmissionen umgeht. Wenn ein Paket zu lange auf die Bestätigung wartet, nimmt TCP an, dass es auf dem Weg verloren gegangen sein könnte, und wird es erneut senden. Aber wenn wir es mit asymmetrischen Netzwerken zu tun haben, kann der Mechanismus von TCP zur Berechnung, wie lange gewartet werden soll, bevor entschieden wird, dass ein Paket verloren ist, beeinträchtigt werden. Hier wird es knifflig. Es geht nicht einfach davon aus, dass jede verspätete Bestätigung bedeutet, dass ein Paket verloren ist; es muss verschiedene Bedingungen in beide Richtungen berücksichtigen. Das bedeutet, dass TCP eine sogenannte "glättende RTT-Berechnung" verwendet. Es ist im Wesentlichen ein Durchschnitt, der im Laufe der Zeit auf der Grundlage der RTT-Messungen, die es sammelt, angepasst wird.
Denken Sie daran, wie Sie das Wetter im Auge behalten. Sie könnten bemerken, dass es normalerweise am Wochenende regnet, also beginnen Sie, Ihre Samstag-Aktivitäten mit diesem Wissen zu planen. Ähnlich sammelt TCP seine historischen Daten darüber, wie schnell Pakete hin und her gesendet werden, und das hilft ihm, informiertere Entscheidungen zu treffen. Wenn das Netzwerk also in eine Richtung langsamer wird, kann TCP seine Erwartungen anpassen und vermeiden, in Panik zu geraten oder zu viele Pakete auf einmal zu senden.
Nun, lassen Sie uns die Überlastung angehen. Wenn es einen Engpass gibt – insbesondere in asymmetrischen Netzwerken – macht TCP auch dabei einen großartigen Job. Es verwendet einen Algorithmus zur Staukontrolle, und einer der bekanntesten ist TCP Reno. Bei Überlastung wechselt TCP von seinem normalen Sendeverhalten in eine Phase, in der es den Zustand des Netzwerks sorgfältig verfolgt. Wenn es Paketverluste erkennt, nimmt es an, dass das Netzwerk überlastet ist, und reduziert den Datenfluss, anstatt das Netzwerk weiter zu überfluten.
Der wirklich coole Teil ist, dass TCP dies dynamisch tut. Wenn Sie in eine Richtung hochlatente Pfade haben, könnte die sendende TCP-Instanz aggressiver zurücktreten als in einem symmetrischen Szenario, in dem die Pakete auf beiden Wegen konsistente Verzögerungen haben. Es lernt und passt sich an, während sich die Bedingungen ändern. Wenn Sie also eine große Datei herunterladen und der Upload-Pfad plötzlich langsamer wird, weil jemand anders zu viel Bandbreite nutzt, wird TCP zurücktreten und sicherstellen, dass das Netzwerk für alle Beteiligten nutzbar bleibt.
Die Art und Weise, wie TCP mit Netzwerküberlastung umgeht, steht auch im Wettbewerb mit einem grundlegenden Kompromiss zwischen Durchsatz und Latenz. Wenn Sie an Anwendungen arbeiten, die TCP verwenden – wie beim Surfen im Internet oder bei Videoanrufen – wird dieser Kompromiss besonders wichtig. Wenn nur Sie versuchen, eine kleine Menge an Daten zu senden und die Upload-Geschwindigkeit schleppend ist, wird TCP langsamer, um das Problem nicht zu verschärfen, aber es wird auch versuchen, den Durchsatz basierend auf den bestehenden Bedingungen zu maximieren.
Haben Sie schon einmal bemerkt, dass Ihre Uploads manchmal länger dauern als erwartet, während Downloads in Ordnung sind? Das liegt daran, dass RTPs in diese gesamte Dynamik einfließen und die Art und Weise beeinflussen, wie TCP reagiert. Ich habe dies aus erster Hand während Videoanrufen erlebt, wenn die Kamera der anderen Person aufgrund von upstream-Bandbreitenbeschränkungen ruckelt. Es ist frustrierend, aber es ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie TCP aktiv wird, um sich anzupassen.
Dann gibt es das Konzept der "selektiven Bestätigung", kurz SACK. Dieses Feature ermöglicht es dem TCP-Empfänger, den Sender darüber zu informieren, welche Pakete erfolgreich empfangen wurden und welche verloren gingen. Selbst in asymmetrischen Netzwerken, wo Sie möglicherweise lange auf eine dieser Bestätigungen warten, kann der Sender genauere Informationen erhalten. Das bedeutet, dass Sie nicht alle Pakete erneut senden müssen; nur die, die tatsächlich vermisst werden. Es ist wie ein effizienteres Gespräch, wenn Sie sagen können: "Hey, ich habe die ersten drei Nachrichten erhalten, aber nicht die vierte."
TCP erfordert ein wenig Arbeit, um das ungleiche Spielfeld asymmetrischer Netzwerke zu verwalten. Aber sobald es sich durch gelerntes Verhalten und reaktionsschnelle Maßnahmen gefestigt hat, verwaltet es den Datenfluss effizient, selbst mit diesen lästigen unterschiedlichen RTTs. Für uns IT-Profis ist diese Anpassungsfähigkeit das, was die Arbeit mit TCP so spannend macht. Es ist beeindruckend, wie zugrunde liegende Protokolle optimiert werden können, um die Leistung trotz der Herausforderungen der realen Netzwerktechnik zu verbessern.
Wie Sie sehen können, hat TCP einen guten Griff darin, mit asymmetrischen Netzwerken umzugehen, selbst wenn es schwierig wird. Es passt sein Verhalten basierend auf den Messungen an, die es über den Zustand des Netzwerks vornimmt, und lernt und passt sich kontinuierlich an, um die Leistung zu maximieren. Ich finde das ziemlich bemerkenswert, besonders da wir in einer Welt leben, in der Daten ständig um Aufmerksamkeit kämpfen über ein verwobenes Netz von Verbindungen. Das nächste Mal, wenn Sie etwas streamen oder eine Datei senden, denken Sie daran, wie TCP unermüdlich im Hintergrund arbeitet, um alles reibungslos am Laufen zu halten. Es ist ein bisschen wie der unbesungene Held der digitalen Kommunikation.
