TCP 选项与扩展

TCP 选项机制

TCP 首部固定 20 字节，但通过**选项（Options）**机制可扩展至 60 字节。选项采用 TLV（Type-Length-Value） 编码：

+--------+--------+--------+--------+...
|  Type  | Length |        Value        |
| 1 byte | 1 byte |  (Length-2) bytes   |
+--------+--------+--------+--------+...

Type：选项类型（如 2=MSS, 3=Window Scale）
Length：整个选项的字节数（包括 Type 和 Length 字段）
Value：选项数据

关键限制：选项空间仅 40 字节（60-20），迫使扩展必须紧凑编码。

选项仅在三次握手时通过 SYN 报文协商，连接建立后不可动态变更。

MSS（Maximum Segment Size，选项类型 2）

MSS 是 TCP 报文段中数据部分的最大长度，不包括 TCP 首部。

MSS = MTU - IP 首部(20) - TCP 首部(20) = 1500 - 40 = 1460 字节

协商过程：

客户端 SYN："我的 MSS 是 1460"
服务端 SYN-ACK："我的 MSS 是 1460"
双方取较小值作为实际 MSS

如果路径 MTU 更小（如 PPPoE MTU=1492、VPN 隧道）：

理想情况：PMTUD 探测路径 MTU，自动调整
fallback：TCP 发现 IP 层分片或收到 ICMP "需要分片"，降低 MSS

窗口缩放（Window Scale，选项类型 3，RFC 7323）

原始 Window 字段 16 位，最大 65535 字节。窗口缩放通过 Shift Count（0~14） 突破限制：

实际窗口 = Window 字段值 × 2^ShiftCount

协商过程：

客户端 SYN："我支持窗口缩放，Shift Count = 8"
服务端 SYN-ACK："我也支持，Shift Count = 8"
后续报文中 Window 字段需左移 8 位

最大实际窗口：65535 × 2^14 ≈ 1GB

现代操作系统默认启用（Linux net.ipv4.tcp_window_scaling=1）。

SACK（Selective ACK，选项类型 5，RFC 2018）

SACK 允许接收方精确通告已收到的乱序段边界，发送方仅重传真正丢失的段。

SACK 选项格式（最多 3~4 个块，受 40 字节限制）：

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+...
|  Type  | Length |  Left Edge 1 | Right Edge 1 | ... |
|   5    |  N     |   4 bytes   |   4 bytes    | ... |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+...

示例：段 1（1000~1099）和段 3（1200~1299）收到，段 2（1100~1199）丢失：

ACK=1100（累积确认，期望段 2）
SACK: 1200~1299（段 3 已收到）

发送方知道只需重传段 2，避免重传段 3。

现代操作系统默认启用 SACK（Linux net.ipv4.tcp_sack=1）。

时间戳（Timestamp，选项类型 8，RFC 7323）

10 字节选项，包含两个 4 字节字段：

TSval（Timestamp Value）：发送方当前时间戳
TSecr（Timestamp Echo Reply）：回显对方上次发送的 TSval

两大用途：

1. 更精确的 RTT 测量

发送方发送: TSval = T1
接收方回复: TSecr = T1
发送方收到 ACK: RTT = 当前时间 - T1

每个报文有独立时间戳，ACK 对应关系明确，窗口大、ACK 稀少时仍能频繁采样。

2. PAWS（Protection Against Wrapped Sequence numbers）

高速网络中序列号可能 3 秒回绕。PAWS 利用时间戳区分新旧报文：

接收方记录最近收到的时间戳
新报文的时间戳必须 ≥ 记录值
时间戳过旧的报文丢弃

TCP Fast Open（TFO，选项类型 34，RFC 7413）

正常三次握手需要 1 个 RTT 才能发送数据。TFO 允许在首次 SYN 中携带数据，减少 1 个 RTT：

TFO Cookie：

服务端生成（基于客户端 IP、密钥等）
客户端缓存（通常几分钟）
服务端验证 Cookie 有效后才接受 SYN 中的数据

适用场景：Web 短连接（REST API）、频繁重连的应用。

其他重要选项

选项	类型	作用
NOP	1	填充对齐（无操作）
EOL	0	选项列表结束
SACK-Permitted	4	握手时声明支持 SACK
TCP-AO	29	认证选项（替代 MD5）

本篇小结

TCP 选项 TLV 编码，最大 40 字节，握手时协商
MSS（2）：协商最大段大小，典型 1460
Window Scale（3）：Shift Count 0~14，突破 64KB 窗口限制
SACK（5）：精确通告乱序段，仅重传丢失段
Timestamp（8）：精确测 RTT + PAWS 防序列号回绕
TFO（34）：SYN 带数据，减少 1 RTT
现代系统默认启用 Window Scale + SACK + Timestamp

动手实践

Wireshark 抓包观察 SYN 选项：
- 右键 SYN 报文 → "TCP Stream" → 查看选项详情
- 记录 MSS、Window Scale、SACK、Timestamp、TFO

查看 Linux 选项开关：

sysctl net.ipv4.tcp_window_scaling
sysctl net.ipv4.tcp_sack
sysctl net.ipv4.tcp_timestamps

查看 TFO 设置：
```
sysctl net.ipv4.tcp_fastopen
```
思考：为什么选项只能在握手时协商，而不能在连接中动态变更？如果窗口缩放可以在中途调整，会有什么技术难题？