Grundlagen der Netzwerkprotokolle: TCP, UDP und Client-Server

Das Client-Server-Modell und Anwendungsarchitektur

Das Client-Server-Modell beschreibt eine Struktur, in der ein Prozess (der Server) Aufträge bzw. Befehle ausführt, die der andere Prozess (der Client) verteilt. In einer verteilten Anwendung können sich die verschiedenen Programme, aus denen sich die Anwendung zusammensetzt, auf verschiedenen Computern (Maschinen und Servern) befinden.

Die Vision der Netzwerkebenen

Wir verfügen über zwei Ebenen von Problemen:

• Kommunikationsprozesse: Das Inkrafttreten von Anwendungskomponenten auf der Anwendungsebene.
• Physikalische Übermittlung: Die Übertragung von Informationen auf der physikalischen Ebene bzw. Architekturebene.

Protokolle, Dienste und Schnittstellen

Ein Protokoll ist ein Satz von Regeln für die Kommunikation zwischen zwei Einheiten auf derselben Ebene. Diese Kommunikation ist virtuell. Ein Service (Dienst) beschreibt die Arbeit, die eine Ebene für die unmittelbar darüberliegende Ebene leistet. Das Interface (Schnittstelle) ist der Kommunikationsmodus zwischen zwei benachbarten Ebenen, die auf derselben Maschine angesiedelt sind.

Netzwerkkomponenten und das IP-Protokoll

Eine Bridge verbindet zwei Netzwerke physisch miteinander, die logisch getrennt sind. Das IP-Protokoll dient dem Senden und Empfangen von Informationseinheiten zwischen Computern.

Flusssteuerung und das TCP-Protokoll

Die Flusssteuerung (Flow Control) ist notwendig, um eine Sättigung des Empfänger-Puffers zu vermeiden. Hierbei müssen Maßnahmen ergriffen werden, um den Fluss der PDU (Protocol Data Unit) zu stoppen oder zu verlangsamen. Dies ist jedoch aufgrund von Verzögerungen zwischen dem Senden (EMI) und der Quittierung kompliziert.

Eigenschaften von TCP (Transmission Control Protocol)

• Verbindungsorientiert: Aufbau einer festen Verbindung.
• Vollduplex: Punkt-zu-Punkt-Kommunikation.
• Sequenzierung: Einhaltung der Reihenfolge.
• Fehlererkennung: Fehlerbehebung und Weiterverbreitung von Blöcken basierend auf Bytes.
• Explizite Flusskontrolle: Basierend auf Kredit- bzw. Überlastungserkennung und Reaktion darauf.

TCP-Verbindungen und Segmentierung

Jede Verbindung wird durch zwei Sockets an den Enden (Quelle und Ziel) identifiziert. Ein TCP-Segment ist das einzige PDU-Format. Um Datensegmente und die Kontrolle zu steuern, wird eine Reihe von Flags im Header verwendet.

TCP-Flusssteuerung und Pufferung

Eine TCP-Entität weist jeder aufgebauten Verbindung ein Paar Puffer zu, um diese zu differenzieren. In einem Puffer werden die Daten gehalten, die von der Anwendung geliefert werden. Im anderen Puffer werden empfangene Daten gespeichert, damit die Anwendungsebene darauf zugreifen kann.

Das User Datagram Protocol (UDP)

UDP ist ein Transportprotokoll für den Austausch von Datagrammen. Es ermöglicht das Senden von Datagrammen über das Netz, ohne zuvor eine Verbindung aufzubauen, da jedes Datagramm bereits genügend Adressinformationen in seinem Header enthält.