Verbindungsturbo: Wie Googles Rack TCP deutlich schneller machen soll

Mit dem Algorithmus Rack will Google das altehrwürdige TCP modernisieren und damit interaktive Anwendungen deutlich beschleunigen. Wir erklären, wie das funktionieren soll.

Eine Analyse von Wilhelm Nüßer veröffentlicht am
Ethernet-Kabel
Ethernet-Kabel (Bild: Open Grid Scheduler / Grid Engine/CC0 1.0)

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.

Inhalt:
  1. Verbindungsturbo: Wie Googles Rack TCP deutlich schneller machen soll
  2. Rack zeigt: TCP kann es immer besser

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)
  • TCP-Verbesserung durch Dupack (Bild: W. Nüßer)
  • TCP-Verbesserung durch Sack (Bild: W. Nüßer)
  • Zeitlich verschobene Bestätigungen ...(Bild: W. Nüßer)
  • ... werden in Rack aktiv zum Beschleunigen genutzt. (Bild: W. Nüßer)
  • Rack hilft auch bei Tail Drops. (Bild: W. Nüßer)
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.

Bitte aktivieren Sie Javascript.
Oder nutzen Sie das Golem-pur-Angebot
und lesen Golem.de
  • ohne Werbung
  • mit ausgeschaltetem Javascript
  • mit RSS-Volltext-Feed
Rack zeigt: TCP kann es immer besser 
  1. 1
  2. 2
  3.  


B-Reich 28. Jun 2021

Was ist dein Problem mit der Referenzimplementierung? In Linux gibt es auch eine...

Martin F. 04. Aug 2016

Mein letzter Stand war, dass bei Drittanbietern, die den Telekomanschluss nutzen, nur...

minecrawlerx 01. Aug 2016

Wir haben heute Speicher in rauen Mengen. Und Kernel Entwickler, die uns das...

ap (Golem.de) 29. Jul 2016

Bevor der Thread weiter abruscht, wird er geschlossen.



Aktuell auf der Startseite von Golem.de
Intel Core i9-14900KS
Intel ist wahnsinnig geworden - zum Glück!

Um den Core i9-14900KS zur schnellsten Allround-CPU zu machen, hat Intel den Weg der Vernunft scheinbar vollständig verlassen. Doch dahinter stecken gute Neuigkeiten für Intel-Kunden.
Ein IMHO von Martin Böckmann

Intel Core i9-14900KS: Intel ist wahnsinnig geworden - zum Glück!
Artikel
  1. Streaming: Twitch verbietet Popos als Leinwand
    Streaming
    Twitch verbietet Popos als Leinwand

    Auf Hinterteile projizierte Streams sind auf Twitch künftig verboten: Der zu Amazon gehörende Dienst geht gegen einen absurden Trend vor.

  2. FTX-Gründer: Sam Bankman-Fried zu 25 Jahren Haft verurteilt
    FTX-Gründer
    Sam Bankman-Fried zu 25 Jahren Haft verurteilt

    Der Richter betonte die Dreistigkeit der Handlungen von Bankman-Fried. Doch die Haftstrafe für den früheren Chef der Kryptobörse FTX liegt weit unter der Forderung der Anklage.

  3. Truth Social: Warum Trumps kleines Netzwerk Milliarden wert wurde
    Truth Social
    Warum Trumps kleines Netzwerk Milliarden wert wurde

    Donald Trumps verlustbringender Twitter-X-Klon Truth Social wird nach seinem Börsengang mit 9 Milliarden US-Dollar bewertet. Es ist eine Spekulationsblase - und eine Investition in eine potenzielle Trump-Präsidentschaft.
    Ein Bericht von Achim Sawall

Du willst dich mit Golem.de beruflich verändern oder weiterbilden?
Zum Stellenmarkt
Zur Akademie
Zum Coaching
  • Schnäppchen, Rabatte und Top-Angebote
    Die besten Deals des Tages
    • Daily Deals • Palit 4070 Super 579,95€ • Xbox-Controller ab 39,99€ • AVM Fritzbox + Repeater -30% • DVDs & Blu-rays -31% • EA -75% • Ubisoft -50% • MindStar: AMD Ryzen 9 7900 339€, MSI RTX 4080 Super Ventus 3X OC 1.099€ • Gratis-Zugaben PS5 Slim & Nintendo Switch OLED beim TV-Kauf [Werbung]
    •  /