TCP的延迟控制与时间戳选项（TCP Timestamps Option）详解

1. 问题背景

在TCP通信中，发送方需要根据往返时间（RTT）动态计算重传超时时间（RTO），以确保数据包丢失时能及时重传。但传统RTT测量方法存在两个问题：

1. 重传二义性：若发送方重传同一个报文，收到确认（ACK）时无法区分是对原始报文还是重传报文的确认，导致RTT估算不准确。
2. 低频采样：每个RTT周期只能测量一次RTT（因为ACK通常对应单个发送报文），在长连接中采样率低，难以适应网络延迟的快速变化。

2. 时间戳选项的引入

为解决上述问题，TCP在RFC 1323中定义了时间戳选项（TCP Timestamps Option）。该选项允许发送方在报文头中携带两个时间戳：

• TSval（Timestamp Value）：发送方写入的当前时间戳。
• TSecr（Timestamp Echo Reply）：发送方回复对端时间戳时，将其最近收到的TSval值填入此字段（若无需回复则填0）。

选项结构：

Kind: 8（标识时间戳选项）  
Length: 10（选项总长度10字节）  
TSval: 4字节（发送时间戳）  
TSecr: 4字节（回复时间戳）  

3. 时间戳的工作机制

3.1 基本流程

1. 发送方：在数据报文或SYN报文中添加时间戳选项，将当前时钟计数填入TSval。
2. 接收方：在ACK报文中回复时间戳选项，将刚收到的TSval复制到TSecr字段，并将自己的当前时间戳填入TSval。
3. 发送方收到ACK后：通过比较当前时间与TSecr中的时间戳差值，即可计算出精确的RTT。

3.2 解决重传二义性

• 每个报文携带唯一时间戳，ACK中回复的TSecr明确对应原始报文的发送时间，即使发生重传，RTT测量也不会混淆。
• 例如：
  • 发送报文Seq=1, TSval=100 → 丢失
  • 重传报文Seq=1, TSval=200 → 接收方回复ACK, TSecr=200
  • 发送方计算RTT = 当前时间 - 200，避免将重传报文误认为原始报文。

3.3 高频RTT采样

• 每个ACK均携带时间戳，允许对每个数据包独立计算RTT（如开启选择性确认SACK时），提升对网络延迟变化的敏感度。

4. 时间戳的额外作用

4.1 PAWS（Protection Against Wrapped Sequences）

• 问题：在高速网络中，序列号可能因快速重传而回绕（32位序列号耗尽后重新计数），接收方可能误将旧数据包当作新数据接收。
• 解决方案：时间戳（通常时钟频率≥1Hz）作为序列号的扩展，32位时间戳的回绕周期远长于序列号（如1GHz时钟回绕周期约4.3秒），接收方可通过比较时间戳拒绝过时的旧报文。

4.2 优化RTO计算

• 时间戳提供更平滑的RTT估计，结合Karn算法（忽略重传报文的RTT采样），避免RTO因重传二义性而剧烈波动。

5. 时间戳的协商与启用

• 在TCP三次握手中，双方通过SYN报文交换时间戳选项，确认支持此功能后方在后续通信中使用。
• 若一方未发送时间戳选项，则后续通信中禁止使用时间戳。

6. 总结

TCP时间戳选项通过精确RTT测量解决了重传二义性和低频采样问题，同时借助PAWS机制防止序列号回绕导致的数据错乱。它是高性能网络（如高速数据中心）中保证TCP稳定性的关键特性之一。