Verbindungsturbo: Wie Googles Rack TCP deutlich schneller machen soll

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist ein altes Protokoll, aber immer noch eines der wichtigsten im Internet - trotz neuer Ansätze wie Quic. Es wurde entwickelt, als stark interaktive Kommunikationen, komplexe Netzwerkgeräte und schnelle Verbindungen noch in weiter Ferne lagen. Da TCP zudem ein geradezu zwanghaft sorgfältiges Protokoll ist, erscheint es heute oft als schwerfällig und langsam. Das will Google mit dem neuen Verfahren Rack ändern.

Das Unternehmen schlägt eine Anpassung der etablierten Verfahren von TCP vor, um das Protokoll schneller auf spezielle Fehlerfälle reagieren zu lassen. Dieser Vorschlag ist noch kein Internetstandard, aber bei einer Google-Initiative kann dies mitunter zumindest aus Sicht von Entwicklern sehr schnell gehen. Obwohl noch keine konkreten Zahlen den Effekt von Rack belegen, beschreiben wir deshalb schon diesen neuen Ansatz, der bereits im Linux-Kernel vorhanden ist und der von den Browsern Chrome und Edge genutzt wird.

Das kann TCP

Zunächst gilt es, TCP besser zu verstehen. Das Protokoll ist darauf ausgelegt, verbindungsorientiert, voll-duplex und zuverlässig zu sein. Dabei bedeutet zuverlässig, dass mit TCP sehr intensiv versucht wird, alle Segmente, die über eine TCP-Verbindung fließen, korrekt und in der richtigen Reihenfolge zu übertragen und dabei auch die Last des Netzwerks möglichst gering zu halten. Dafür muss TCP mindestens drei verschiedene Aufgaben erfüllen.

Erstens müssen verloren gegangene Segmente erkannt und behandelt werden. Dafür sendet der Empfänger Bestätigungen (Ack, kurz für Acknowledgement) an den Sender, der daraufhin mindestens die verlorenen Segmente erneut sendet.

Zweitens implementiert TCP eine Flusskontrolle, durch die die Verarbeitungsgeschwindigkeiten von Sender und Empfänger aneinander angepasst werden. Die Sendegeschwindigkeit wird dafür durch ein sogenanntes Receive-Window beschränkt (RFC 793).

Drittens verwendet TCP eine Überlaststeuerung (Congestion Control), die nicht nur die Kommunikation zweier Partner, sondern die Last im Netzwerk optimieren soll. Auch hier muss sich der Sender beschränken. Die Art und Weise, wie dies geschieht, hat sich im Laufe der Jahre verändert. Derzeit sind Verfahren wie Slow Start und Fast Recovery (RFC 5681) relevant.

TCP und die verlorenen Segmente

Das von Google vorgeschlagene Rack (Recent Acknowledgement) widmet sich primär der Frage nach den verlorenen Segmenten. Für eine erfolgreiche Neuübertragung (Retransmit) sind stets zwei Fragen zu beantworten. Einerseits: Was ist erneut zu senden? Und: Wann wird es erneut gesendet?

Für TCP sind in seiner Geschichte immer ausgefeiltere Antworten auf diese Fragen gefunden worden. Rack ist das derzeit letzte Glied in dieser Kette und nur auf der Basis der vorhergehenden Ansätze zu verstehen. Die genaue Beschreibung von Rack beginnt deshalb zunächst mit dem klassischen Verfahren von TCP, das in Abbildung 1 vorgestellt wird.

• 

Das alte, konventionelle TCP (Bild: W. Nüßer)

In diesem Verfahren bestätigt TCP stets nur vollständige und korrekte Abfolgen von Segmenten. Dazu hat TCP die Konvention eingeführt, dass der Empfänger als Bestätigung die Nummer des jeweils nächsten erwarteten Segments zurücksendet. Wenn diese Bestätigung innerhalb einer bestimmten Zeit (Timer) eintrifft, die durch die Laufzeiten im Netzwerk berechnet wird, gilt das Segment als korrekt versendet.

Wenn nun aber wie in Abbildung 1 das erste Segment verloren geht, kann der Empfänger dieses Segment nicht bestätigen: Die Bestätigungszahl bleibt gleich (hier: 1). Der Sender erhält damit innerhalb des Timers keine passende Bestätigung und muss nach Ablauf dieser Zeit erneut senden. Da die an sich korrekt empfangenen Segmente 2 und 3 nicht in der korrekten Reihenfolge sind ("out of order", OOO), müssen sie in diesem Verfahren ebenfalls erneut gesendet werden.

Offensichtlich ist dieses klassische Verfahren, das laut üblichem Sprachgebrauch mit "kumulativen Acks" und einem globalen Timer arbeitet, zwar einfach zu implementieren, erkennt aber verlorene Segmente erst spät und führt zu vielen überflüssigen Neuübertragungen. Schon früh haben sich die TCP-Designer deshalb Gedanken über Verbesserungen gemacht. Das von Google vorgeschlagene Rack reiht sich damit in eine Liste mehrerer unterschiedlicher Versuche ein.