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：
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。