TCP Fast Open定义

TCP Fast Open（TFO）是用来加速连续TCP连接的数据交互的TCP协议扩展，原理如下：在TCP三次握手的过程中，当用户首次访问Server时，发送SYN包，Server根据用户IP生成Cookie（已加密），并与SYN-ACK一同发回Client；当Client随后重连时，在SYN包携带TCP Cookie；如果Server校验合法，则在用户回复ACK前就可以直接发送数据；否则按照正常三次握手进行。

起源

由Google于2011年的论文（http://conferences.sigcomm.org/co-next/2011/papers/1569470463.pdf）中提出，IPV4的TFO已经合入Linux Kernel Mainline，Client内核版本为3.6；Server内核版本为3.7。

Google研究发现TCP三次握手是页面延迟时间的重要组成部分，所以他们提出了TFO：在TCP握手期间交换数据，这样可以减少一次RTT。根据测试数据，TFO可以减少15%的HTTP传输延迟，全页面的下载时间平均节省10%，最高可达40%。

目前互联网上页面平均大小为300KB，单个object平均大小及中值大小分别为7.3KB及2.4KB。所以在这种情况下，多一次RTT无疑会造成很大延迟。

2011年6月，对Google webServer进行连续7天数十亿次针对80端口的请求分析，包括搜索、Gmail、图片等多个服务。其中cold requests为：新连接上的请求；warm requests为已有连接上的请求；All requests为所有连接上的请求（cold requests + warm requests）。cold requests及all requests中TCP握手时间在整个延迟时间中的占比如图 1 所示

图 1 Cold Req及All Req的三次握手在整个连接生命周期的时间百分比

分析结果显示，在cold requests中，TCP握手时间占延迟时间的8%-28%；即使统计所有的请求，TCP握手时间也占到了延迟时间的5%-7%。

谷歌对谷歌浏览器的进行了28天的连续数据分析（通过了用户授权）：数据不仅仅是针对谷歌服务，也涉及到所有网站的请求。通过对上十亿条记录的分析，发现即使使用了Http1.1的keep-alive功能，依然有33%的请求是在新连接上发起的。可能原因：为了加快下载速度，新建数10个连接；主机和NAT也会主动断开闲置的keep-alive连接；为了省电，手机浏览器关闭闲置的连接。

为了理解TCP的三次握手对整个连接交互的影响，将分析数据进行绘图，如图 2所示

图 2 Http请求延时的累积分布函数图（CDF）

其中，X轴为网络交互延时（单位为s）， Y轴为以百分比表示的HTTP请求的累积分布；All Req为三次握手在所有请求中的时间占比； Cold Req为新连接上的三次握手的时间占比； Cold Req no Hsk代表去除了三次握手时间的Cold Req的时间占比。

Cold Req基本比All Req慢50%（DNS查找、慢启动、SSL握手、TCP握手导致），而TCP握手时间在Cold Req延迟时间中往往占比了25%。

因此，Google设计了TCP Fast Open.

详解

流程

TCP Fast Open流程图如图 3所示

图 3 TCP Fast Open 流程图

如图 3所示，TFO的的流程如下：

用户向Server发送SYN包并请求TFO Cookie；
Server根据用户的IP加密生成Cookie，随SYN-ACK发给用户
用户储存TFO Cookie

当连接断掉，重连后的流程如下：

用户向Server发送SYN包（携带TCP Cookie），同时附带请求；
Server校验Cookie（解密Cookie以及比对IP地址或者重新加密IP地址以和接收到的Cookie进行对比）。

如果验证成功，向用户发送SYN+ACK，在用户回复ACK之前，便可以向用户传输数据；

如果验证失败，则丢弃此TFO请求携带的数据，回复SYN-ACK确认SYN Seq，完成正常的三次握手。

如果Cookie在网络传输的过程中被丢弃，Client在RTO后，发起普通的TCP连接，流程如图 4所示

图 4 Cookie被网络丢弃

3. 如果在SYN包中的数据被接受，那么Server可以在收到Client的ACK之前回复该请求的响应报文

4. ClientACKServer的SYN。如果Client的数据没有得到Server的ACK，那么Client会通过ACK重传该请求。

5. 随后的操作和普通的TCP连接一致

建立了TFO连接而又没有完成TCP连接的请求在Server端被称为pending TFO connection，当pending的连接超过上限值，Server会关闭TFO，后续的请求会按正常的三次握手处理。

如果一个带有TFO的SYN请求如果在一段时间内没有收到回应，用户会重新发送一个标准的SYN请求，不带任何其他数据。

Cookie是用来验证Client的IP所有权的加密字符串。Server负责产生及验证Cookie。Client缓存Cookie以及在随后的连接初始化阶段将Cookie返回给Server。

Server通过加密Client的源IP产生16字节长度的Cookie（通过AES-128算法）。加密和解密Cookie很快，可以和正常的SYN及SYN-ACK包的处理时间差不多。

为了确保安全及用户IP会变（如DHCP），Cookie值会隔一段时间变化一次。

Cookie结构如图 5 所示

图5 Cookie结构

如图 5所示，如果没有Cookie或者Cookie值为空，则表明是Client向Server请求Cookie;如果Cookie有值，表明是Server向Client发送Cookie或者Client通过TFO执行Fast Opem.

TFO与Wireshark

通过Wireshark抓包可以看TFO流程，如图6所示：

图6 Wireshark抓包与TFO

Fast Open Cookie选项在TCP Options中，从No.7包中可以看到，Fast Open Cookie的Kind为34，长度为10，Cookie为0x1a39d8e2100b247e。

首先Client发起TCP连接（端口为57520），在SYN包中带有一个FOC选项，向Server请求Cookie（No.1号报文）
Server端回复SYN-ACK包，其中携带一个FOC选项，Cookie域为0x1a39d8e2100b247e（No.7号报文）
Client发送一个"hello"消息后关闭连接（No.5号报文），Server端也断开连接（No.6号报文）
Client通过57522端口向Server发起TFO的SYN，携带Cookie及数据（No.7号报文）
Server回复SYN-ACK（No.9号报文）
Client回复ACK（No.10报文）

开启TFO

在Linux支持TFO的内核版本下（Client内核版本为3.6；Server内核版本为3.7），在sysctl.config（vim /etc/sysctl.conf）中添加：

net.ipv4.tcp_fastopen = 3

其中1表示客户端开启，2表示服务端开启，3表示客户端和服务器同时开启

示例代码

Server主要代码：

sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // Create socket
bind(sfd, ...); // Bind to well known address
int qlen = 5; // Value to be chosen by application
setsockopt(sfd, SOL_TCP, TCP_FASTOPEN, &qlen, sizeof(qlen));
listen(sfd, ...); // Mark socket to receive connections
cfd = accept(sfd, NULL, 0); // Accept connection on new socket
// read and write data on connected socket cfd
close(cfd);

注意：Server需要设置TCP_FASTOPEN属性

Client主要代码

sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
sendto(sfd, data, data_len, MSG_FASTOPEN, (struct sockaddr *) &server_addr, addr_len);
// Replaces connect() + send()/write()
// read and write further data on connected socket sfd
close(sfd);

注意：Client不能用connect，只能用sendto及sendmsg

TFO性能

为了验证TFO的性能，Google做了一些实验。

页面加载时间

Google对amazon.com、nytimes.com、wsj.com、TCP Wikipedia page等网站进行了使用TPO及不使用TPO进行了测试，设置一系列的RTT时间：20ms、100ms、200ms，记录页面的加载时间，每个页面采集120个数据。

测试结果如图 7 所示，（PLT 为Page load time）

图 7 页面加载时间

如图 7所示，RTT时间越大，TFO的效果越明显。当RTT为200ms时，改善达到了11%-41%。

Server CPU

由于Server产生Cookie时需要加密，验证Cookie时需要解密，Google也测试了TFP开启时，Server的CPU使用率，如图 8所示

图 8 CPU使用率

如图8所示，当开启TFO时，CPU的使用率并不高，在某些区间甚至低于普通的TCP。

安全性

在TFO下，依然存在一些问题，如伪造TFO SYN攻击（通过DHCP及NAT、Moles获取有效的Cookies），这种场景下，Server资源会被攻击耗尽。

图 9显示了TFO的SYN-flood攻击和普通的TCP SYN-flood攻击对比情况

图 9 SYN-Flood攻击对比

结论

TFO在TCP的第一次握手时就携带请求报文，对于35%的http请求，可节省一个RTT
Cookie是加密的，一定程度上减少了攻击可能性

TCP Fast Open知识

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