常用的TCP Option

TCP Options

 
当前，TCP常用的Option如下所示
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Kind (Type)	Length	Name	Reference	描述 & 用途
0	1	EOL	RFC 793	选项列表结束
1	1	NOP	RFC 793	无操作（用于补位填充）
2	4	MSS	RFC 793	最大Segment长度
3	3	WSOPT	RFC 1323	窗口扩大系数（Window Scaling Factor）
4	2	SACK-Premitted	RFC 2018	表明支持SACK
5	可变	SACK	RFC 2018	SACK Block（收到乱序数据）
8	10	TSPOT	RFC 1323	Timestamps
19	18	TCP-MD5	RFC 2385	MD5认证
28	4	UTO	RFC 5482	User Timeout（超过一定闲置时间后拆除连接）
29	可变	TCP-AO	RFC 5925	认证（可选用各种算法）
253/254	可变	Experimental	RFC 4727	保留，用于科研实验

 
一般Option的格式为TLV结构，如下所示：

Kind / Type（1 Byte）

Length（1 Byte）

Value

1.    EOL和NOP Option（Kind 0、Kind 1）只占1 Byte，没有Length和Value字段；

2.    NOP用于 将TCP Header的长度补齐至32bit的倍数（由于Header Length字段以32bit为单位，因此TCP Header的长度一定是32bit的倍数）；

3.    SACK-Premitted Option占2 Byte，没有Value字段；

4.    其余Option都以1 Byte的“Kind”开头，指明Option的类型；Length指明Option的总长度（包括Kind和Length）

5.    对于收到“不能理解”的Option，TCP会无视掉，并不影响该TCP Segment的其它内容；

 

 ① .Maximum Segment Size (MSS) Option

 
一般情况下，通信双方在建立连接时，SYN Segment中会携带MSS Option，MSS指明本端可以接受的最大长度的TCP Segment（Payload，不含TCP Header），也就是说，对端发送数据的长度不应该大于MSS（单位Byte）。
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1.    首先要明确一点，MSS并非和对端协商的值，而是对对端发送数据长度的“限制”，表明在整个TCP连接期间，都不会接收长度大于MSS的TCP Segment。

2.    如果收到的SYN中没有MSS，将使用默认值536。MSS Option的Value字段长度固定为16bit，所以MSS最大值为65535（单位Byte）。因此，网络中所有设备都被要求，必须能够处理大小小于576Byte的数据包（IP Header + TCP Header + Default MSS 最小值为 576 Byte）

3.    IPv4网络中，MSS的典型取值为1460 ，1460Byte + 20Byte IP Header + 20Byte TCP Header = 1500Byte = 以太网典型MTU；

4.    IPv6网络中，典型MSS取值为1440；另外，如果MSS=65535，表示MSS = PMTU - 60

 

 

② .Selective Acknowledgment (SACK) Options

 
     在标准的TCP实现中，使用的是累加式的ACK，例如“ACK Num = n”代表对序列号n以前的Bytes进行确认。但是，显然，这样将无法对不连续的Segment进行确认。此外，当出现不连续Segment时，还会导致TCP的接收队列出现一个“坑”，不将这个坑填上，坑后的数据就无法交付给应用程序。

      为解决上述问题，TCP定义了SACK Option，可以使TCP接收者将这个“坑”的位置通告给发送者，让其对这一段数据进行重传。

     注意：若要使用SACK特性，必须在建立连接时，在SYN Segment中附加上SACK-Permitted Option，以此告知对方自己支持SACK。

SACK-Permitted Option格式如下所示：

Kind = 4

Length = 2

SACK Option通过“Left Edge ~ Right Edge”，指定了一个或多个范围的Seq Num，称为SACK Block，指明了处于“坑”后面（或坑之间）的、已成功接收的Bytes。SACK Option格式如下所示
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Kind （5）

Length （可变）

Left Edge of 1st Block （32bit）

Right Edge of 1st Block （32bit）

……

……

Left Edge of nst Block （n≤4）

Right Edge of nst Block （n≤4）

另外，由于TCP Header最长为60 Byte，因此SACK Option中最多只能包含4个SACK Block

Example（终端A - 终端B）
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1.    终端A收到了TCP数据流中的Seq Num为0 ~ 1452、2905~4096的字节，但缺少了1453~2904；

2.    终端A向B发送ACK Segment，其中ACK Num=1453、SACK Option=2905~4097，表明它已经收到了数据流中的Seq Num为2905 ~ 4096的字节，但没有还没收到1453~2904；

3.    终端B收到这个SACK后，重传包含Byte 1453~2904的TCP Segment；

4.    终端A向B发送ACK Segment，其中ACK Num=4097，表明它已经收到Seq Num 4097之前的所有字节；

5.    之后，数据通信恢复正常。




③ .Window Scale (WSCALE or WSopt) Option

TCP Header的Window Size字段长度为16bit，因而正常情况下，Window Advertisement最大只能是65535 Bytes；

Window Scale Option用于将TCP Header的Window Size字段从16bit扩展至最多30bit，格式如下所示：

Kind （3）

Length （3）

shift.cnt （范围0~14）

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1.    shift.cnt的取值范围为0~14，表示将Window Advertisement的值扩展至“WindowSize × 2s

2.    WSopt只能出现在SYN Segment或SYN+ACK Segment中，因此shift.cnt在三次握手之后就会固定下来。

3.    另外，WSopt是双向独立的，因此连接的两个方向可以有不同的Shift.cnt。但是，WSopt必须双向同时启用，也就是说，如果SYN中不带有WSopt，SYN+ACK中也不能出现WSopt；同样，如果SYN+ACK中不带有WSopt，那么发起SYN的一端就会当作自己也不曾发送过WSopt。

4.    shift.cnt根据接收Buffer的大小，由TCP自动选取。接收Buffer由系统或程序设定。

 

 

 ④ .Timestamps Option and PAWS（Protection against Wrapped Sequence Numbers，防止序列号回绕）

 
启用Timestamp Option后，每个TCP Segment中都会带有Timestamp Option，其中包含了两个32bit的Timestamp（TSval和TSecr），具体格式如下所示：

Kind （8）

Length （10）

Timestamp Value（TSval）

Timestamp Echo Reply（TSecr）

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1.    TSval指明了发送端在发送TCP Segment时的Timestamp；接收端在对该TCP Segment做ACK时，将TSval值回显在TSecr字段中。

注意：由于TCP连接是双向的，接收端在ACK中回显TSecr时，也会把自己当前的Timestamp放入TSval字段。

2.    Timestamp是一个随时间单调递增的值，由于TCP接收端只需要在ACK中将TSval简单地回显，因此通信双方并不需要进行时间同步等操作。

3.    通过Timestamp Option，发送端再也不需要在内存中保存发送Segment的时间了，只需要将其放入TSval，然后接收端将其回显在ACK Segment即可。当发送端收到ACK Segment后，取出TSscr，和当前时间做算术差，即可完成一次RTT的测量。

4.    若非通过Timestamp Option来计算RTT，大部分TCP实现只会以“每个Window采样一次”的频率来测算RTT。因此通过Timestamp Option，可以实现更密集的RTT采样，使RTT的测算更精确。

另外，Timestamp Option还有PAWS（Protection Against Wrapped Sequence Numbers，防止序列号回绕）功能，详见以下示例
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1.    假设TCP Window Size为1GB（使用Window Scale），发送者每发送一个Window的数据Timestamp值加100，数据的发送情况如下所示：

时间点	发送数据量	Seq Num	Timestamp	接收
1	0G：1G	0G：1G	0~100	OK
2	1G：2G	1G：2G	100~200	其中某些Segment丢包后重传
3	2G：3G	2G：3G	200~300	OK
4	3G：4G	3G：4G	300~400	OK
5	4G：5G	0G：1G	400~500	OK
6	5G：6G	1G：2G	500~600	此前丢包的Segment出现了

2.    在时间点2的时候，发生了丢包；在时间点4和5之间，序列号发生了回绕；在时间点6，已经被认为“丢包”的Segment延迟到达了。

3.    由于延时到达的Segment的timestamp为1xx，小于时间点6的有效timestamp（5xx），因此这个Segment会根据PAWS机制丢弃，从而不会对TCP造成影响。

 

使用TCP Timestamps option （TSopt） 进行RTT采样。当前大部分操作系统（Linux、Windows）的实现方式如下

 

 User Timeout (UTO) Option

UserTimeout值表明了TCP发送者等待ACK的时间，如果在指定时间内没收到ACK，就会认为对端挂掉。对于传统TCP（RFC 793）而言，UserTimeout是本地配置的。RFC 1122建议，当TCP重传3次后，应该通知应用程序，100s后，应该拆除连接。

通过UTO，可以让TCP将UserTimeout值“告知”给对端，UTO格式如下所示：

Kind （28）

Length （4）

G bit（Granularity bit）

UserTimeout

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1.    G bit = 1，表示UserTimeout的单位为分钟；G bit = 0，表示UserTimeout的单位为秒

2.    通过UTO，TCP接收者可以根据“对端的UserTimeout”来调整自己的行为。UserTimeout建议取值为：min（U_Limit，max（Adv_UTO，Remot_UTO，L_Limit））

o U_Limit是本地UserTimeout的最高限制；Adv_UTO是通告出去的UserTimeout；Remot_UTO是对端的UserTimeout；L_Limit是本地UserTimeout的最低限制；

3.    要注意的是，UTO只是用于“告知”，TCP接收者却不一定要根据对端的UTO值来调整自己的行为。

4.    此外，NAT设备也可以根据UTO来调整连接保活计时器

5.    若使用 = min(U_LIMIT, max(ADV_UTO, REMOTE_UTO, L_LIMIT))

 

 

⑥ .Authentication Option （TCP-AO）and TCP MD5 Signature Option（TCP-MD5）

 
TCP-MD5和TCP-AO主要用于防止TCP欺骗攻击（TCP Spoofing Attacks）。TCP-MD5是旧标准（RFC 2385），例如BGP、LDP等协议就是以TCP-MD5作为认证手段的。2010年后，IETF建议使用TCP-AO去取代TCP-MD5，然而TCP-AO当前的普及率还很低。

TCP-MD5和TCP-AO的格式如下所示
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TCP-MD5 Option的MD5 Hash根据以下信息计算：

1.TCP伪头部
2.TCP头部（包括Option，checksum设为0）
3.TCP Segment Data
4.密钥

相对于TCP-MD5，TCP-AO的主要改进之处在于：
1.    支持多种MAC算法

2.    支持带内的密钥变更操作

注意：TCP-AO与TCP-MD5一样，都不包含密钥分发机制。因此在密钥分发方面都存在一定风险。