home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / rfc / rfc1323 < prev    next >
Text File  |  1992-05-12  |  85KB  |  2,075 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7. Network Working Group                                        V. Jacobson
  8. Request for Comments: 1323                                           LBL
  9. Obsoletes: RFC 1072, RFC 1185                                  R. Braden
  10.                                                                      ISI
  11.                                                                D. Borman
  12.                                                            Cray Research
  13.                                                                 May 1992
  14.  
  15.  
  16.                   TCP Extensions for High Performance
  17.  
  18. Status of This Memo
  19.  
  20.    This RFC specifies an IAB standards track protocol for the Internet
  21.    community, and requests discussion and suggestions for improvements.
  22.    Please refer to the current edition of the "IAB Official Protocol
  23.    Standards" for the standardization state and status of this protocol.
  24.    Distribution of this memo is unlimited.
  25.  
  26. Abstract
  27.  
  28.    This memo presents a set of TCP extensions to improve performance
  29.    over large bandwidth*delay product paths and to provide reliable
  30.    operation over very high-speed paths.  It defines new TCP options for
  31.    scaled windows and timestamps, which are designed to provide
  32.    compatible interworking with TCP's that do not implement the
  33.    extensions.  The timestamps are used for two distinct mechanisms:
  34.    RTTM (Round Trip Time Measurement) and PAWS (Protect Against Wrapped
  35.    Sequences).  Selective acknowledgments are not included in this memo.
  36.  
  37.    This memo combines and supersedes RFC-1072 and RFC-1185, adding
  38.    additional clarification and more detailed specification.  Appendix C
  39.    summarizes the changes from the earlier RFCs.
  40.  
  41. TABLE OF CONTENTS
  42.  
  43.    1.  Introduction .................................................  2
  44.    2.  TCP Window Scale Option ......................................  8
  45.    3.  RTTM -- Round-Trip Time Measurement .......................... 11
  46.    4.  PAWS -- Protect Against Wrapped Sequence Numbers ............. 17
  47.    5.  Conclusions and Acknowledgments .............................. 25
  48.    6.  References ................................................... 25
  49.    APPENDIX A: Implementation Suggestions ........................... 27
  50.    APPENDIX B: Duplicates from Earlier Connection Incarnations ...... 27
  51.    APPENDIX C: Changes from RFC-1072, RFC-1185 ...................... 30
  52.    APPENDIX D: Summary of Notation .................................. 31
  53.    APPENDIX E: Event Processing ..................................... 32
  54.    Security Considerations .......................................... 37
  55.  
  56.  
  57.  
  58. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 1]
  59.  
  60. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  61.  
  62.  
  63.    Authors' Addresses ............................................... 37
  64.  
  65. 1. INTRODUCTION
  66.  
  67.    The TCP protocol [Postel81] was designed to operate reliably over
  68.    almost any transmission medium regardless of transmission rate,
  69.    delay, corruption, duplication, or reordering of segments.
  70.    Production TCP implementations currently adapt to transfer rates in
  71.    the range of 100 bps to 10**7 bps and round-trip delays in the range
  72.    1 ms to 100 seconds.  Recent work on TCP performance has shown that
  73.    TCP can work well over a variety of Internet paths, ranging from 800
  74.    Mbit/sec I/O channels to 300 bit/sec dial-up modems [Jacobson88a].
  75.  
  76.    The introduction of fiber optics is resulting in ever-higher
  77.    transmission speeds, and the fastest paths are moving out of the
  78.    domain for which TCP was originally engineered.  This memo defines a
  79.    set of modest extensions to TCP to extend the domain of its
  80.    application to match this increasing network capability.  It is based
  81.    upon and obsoletes RFC-1072 [Jacobson88b] and RFC-1185 [Jacobson90b].
  82.  
  83.    There is no one-line answer to the question: "How fast can TCP go?".
  84.    There are two separate kinds of issues, performance and reliability,
  85.    and each depends upon different parameters.  We discuss each in turn.
  86.  
  87.    1.1  TCP Performance
  88.  
  89.       TCP performance depends not upon the transfer rate itself, but
  90.       rather upon the product of the transfer rate and the round-trip
  91.       delay.  This "bandwidth*delay product" measures the amount of data
  92.       that would "fill the pipe"; it is the buffer space required at
  93.       sender and receiver to obtain maximum throughput on the TCP
  94.       connection over the path, i.e., the amount of unacknowledged data
  95.       that TCP must handle in order to keep the pipeline full.  TCP
  96.       performance problems arise when the bandwidth*delay product is
  97.       large.  We refer to an Internet path operating in this region as a
  98.       "long, fat pipe", and a network containing this path as an "LFN"
  99.       (pronounced "elephan(t)").
  100.  
  101.       High-capacity packet satellite channels (e.g., DARPA's Wideband
  102.       Net) are LFN's.  For example, a DS1-speed satellite channel has a
  103.       bandwidth*delay product of 10**6 bits or more; this corresponds to
  104.       100 outstanding TCP segments of 1200 bytes each.  Terrestrial
  105.       fiber-optical paths will also fall into the LFN class; for
  106.       example, a cross-country delay of 30 ms at a DS3 bandwidth
  107.       (45Mbps) also exceeds 10**6 bits.
  108.  
  109.       There are three fundamental performance problems with the current
  110.       TCP over LFN paths:
  111.  
  112.  
  113.  
  114. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 2]
  115.  
  116. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  117.  
  118.  
  119.       (1)  Window Size Limit
  120.  
  121.            The TCP header uses a 16 bit field to report the receive
  122.            window size to the sender.  Therefore, the largest window
  123.            that can be used is 2**16 = 65K bytes.
  124.  
  125.            To circumvent this problem, Section 2 of this memo defines a
  126.            new TCP option, "Window Scale", to allow windows larger than
  127.            2**16.  This option defines an implicit scale factor, which
  128.            is used to multiply the window size value found in a TCP
  129.            header to obtain the true window size.
  130.  
  131.       (2)  Recovery from Losses
  132.  
  133.            Packet losses in an LFN can have a catastrophic effect on
  134.            throughput.  Until recently, properly-operating TCP
  135.            implementations would cause the data pipeline to drain with
  136.            every packet loss, and require a slow-start action to
  137.            recover.  Recently, the Fast Retransmit and Fast Recovery
  138.            algorithms [Jacobson90c] have been introduced.  Their
  139.            combined effect is to recover from one packet loss per
  140.            window, without draining the pipeline.  However, more than
  141.            one packet loss per window typically results in a
  142.            retransmission timeout and the resulting pipeline drain and
  143.            slow start.
  144.  
  145.            Expanding the window size to match the capacity of an LFN
  146.            results in a corresponding increase of the probability of
  147.            more than one packet per window being dropped.  This could
  148.            have a devastating effect upon the throughput of TCP over an
  149.            LFN.  In addition, if a congestion control mechanism based
  150.            upon some form of random dropping were introduced into
  151.            gateways, randomly spaced packet drops would become common,
  152.            possible increasing the probability of dropping more than one
  153.            packet per window.
  154.  
  155.            To generalize the Fast Retransmit/Fast Recovery mechanism to
  156.            handle multiple packets dropped per window, selective
  157.            acknowledgments are required.  Unlike the normal cumulative
  158.            acknowledgments of TCP, selective acknowledgments give the
  159.            sender a complete picture of which segments are queued at the
  160.            receiver and which have not yet arrived.  Some evidence in
  161.            favor of selective acknowledgments has been published
  162.            [NBS85], and selective acknowledgments have been included in
  163.            a number of experimental Internet protocols -- VMTP
  164.            [Cheriton88], NETBLT [Clark87], and RDP [Velten84], and
  165.            proposed for OSI TP4 [NBS85].  However, in the non-LFN
  166.            regime, selective acknowledgments reduce the number of
  167.  
  168.  
  169.  
  170. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 3]
  171.  
  172. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  173.  
  174.  
  175.            packets retransmitted but do not otherwise improve
  176.            performance, making their complexity of questionable value.
  177.            However, selective acknowledgments are expected to become
  178.            much more important in the LFN regime.
  179.  
  180.            RFC-1072 defined a new TCP "SACK" option to send a selective
  181.            acknowledgment.  However, there are important technical
  182.            issues to be worked out concerning both the format and
  183.            semantics of the SACK option.  Therefore, SACK has been
  184.            omitted from this package of extensions.  It is hoped that
  185.            SACK can "catch up" during the standardization process.
  186.  
  187.       (3)  Round-Trip Measurement
  188.  
  189.            TCP implements reliable data delivery by retransmitting
  190.            segments that are not acknowledged within some retransmission
  191.            timeout (RTO) interval.  Accurate dynamic determination of an
  192.            appropriate RTO is essential to TCP performance.  RTO is
  193.            determined by estimating the mean and variance of the
  194.            measured round-trip time (RTT), i.e., the time interval
  195.            between sending a segment and receiving an acknowledgment for
  196.            it [Jacobson88a].
  197.  
  198.            Section 4 introduces a new TCP option, "Timestamps", and then
  199.            defines a mechanism using this option that allows nearly
  200.            every segment, including retransmissions, to be timed at
  201.            negligible computational cost.  We use the mnemonic RTTM
  202.            (Round Trip Time Measurement) for this mechanism, to
  203.            distinguish it from other uses of the Timestamps option.
  204.  
  205.  
  206.    1.2 TCP Reliability
  207.  
  208.       Now we turn from performance to reliability.  High transfer rate
  209.       enters TCP performance through the bandwidth*delay product.
  210.       However, high transfer rate alone can threaten TCP reliability by
  211.       violating the assumptions behind the TCP mechanism for duplicate
  212.       detection and sequencing.
  213.  
  214.       An especially serious kind of error may result from an accidental
  215.       reuse of TCP sequence numbers in data segments.  Suppose that an
  216.       "old duplicate segment", e.g., a duplicate data segment that was
  217.       delayed in Internet queues, is delivered to the receiver at the
  218.       wrong moment, so that its sequence numbers falls somewhere within
  219.       the current window.  There would be no checksum failure to warn of
  220.       the error, and the result could be an undetected corruption of the
  221.       data.  Reception of an old duplicate ACK segment at the
  222.       transmitter could be only slightly less serious: it is likely to
  223.  
  224.  
  225.  
  226. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 4]
  227.  
  228. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  229.  
  230.  
  231.       lock up the connection so that no further progress can be made,
  232.       forcing an RST on the connection.
  233.  
  234.       TCP reliability depends upon the existence of a bound on the
  235.       lifetime of a segment: the "Maximum Segment Lifetime" or MSL.  An
  236.       MSL is generally required by any reliable transport protocol,
  237.       since every sequence number field must be finite, and therefore
  238.       any sequence number may eventually be reused.  In the Internet
  239.       protocol suite, the MSL bound is enforced by an IP-layer
  240.       mechanism, the "Time-to-Live" or TTL field.
  241.  
  242.       Duplication of sequence numbers might happen in either of two
  243.       ways:
  244.  
  245.       (1)  Sequence number wrap-around on the current connection
  246.  
  247.            A TCP sequence number contains 32 bits.  At a high enough
  248.            transfer rate, the 32-bit sequence space may be "wrapped"
  249.            (cycled) within the time that a segment is delayed in queues.
  250.  
  251.       (2)  Earlier incarnation of the connection
  252.  
  253.            Suppose that a connection terminates, either by a proper
  254.            close sequence or due to a host crash, and the same
  255.            connection (i.e., using the same pair of sockets) is
  256.            immediately reopened.  A delayed segment from the terminated
  257.            connection could fall within the current window for the new
  258.            incarnation and be accepted as valid.
  259.  
  260.       Duplicates from earlier incarnations, Case (2), are avoided by
  261.       enforcing the current fixed MSL of the TCP spec, as explained in
  262.       Section 5.3 and Appendix B.   However, case (1), avoiding the
  263.       reuse of sequence numbers within the same connection, requires an
  264.       MSL bound that depends upon the transfer rate, and at high enough
  265.       rates, a new mechanism is required.
  266.  
  267.       More specifically, if the maximum effective bandwidth at which TCP
  268.       is able to transmit over a particular path is B bytes per second,
  269.       then the following constraint must be satisfied for error-free
  270.       operation:
  271.  
  272.           2**31 / B  > MSL (secs)                     [1]
  273.  
  274.       The following table shows the value for Twrap = 2**31/B in
  275.       seconds, for some important values of the bandwidth B:
  276.  
  277.  
  278.  
  279.  
  280.  
  281.  
  282. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 5]
  283.  
  284. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  285.  
  286.  
  287.            Network       B*8          B         Twrap
  288.                       bits/sec   bytes/sec      secs
  289.            _______    _______      ______       ______
  290.  
  291.            ARPANET       56kbps       7KBps    3*10**5 (~3.6 days)
  292.  
  293.            DS1          1.5Mbps     190KBps    10**4 (~3 hours)
  294.  
  295.            Ethernet      10Mbps    1.25MBps    1700 (~30 mins)
  296.  
  297.            DS3           45Mbps     5.6MBps    380
  298.  
  299.            FDDI         100Mbps    12.5MBps    170
  300.  
  301.            Gigabit        1Gbps     125MBps    17
  302.  
  303.  
  304.       It is clear that wrap-around of the sequence space is not a
  305.       problem for 56kbps packet switching or even 10Mbps Ethernets.  On
  306.       the other hand, at DS3 and FDDI speeds, Twrap is comparable to the
  307.       2 minute MSL assumed by the TCP specification [Postel81].  Moving
  308.       towards gigabit speeds, Twrap becomes too small for reliable
  309.       enforcement by the Internet TTL mechanism.
  310.  
  311.       The 16-bit window field of TCP limits the effective bandwidth B to
  312.       2**16/RTT, where RTT is the round-trip time in seconds
  313.       [McKenzie89].  If the RTT is large enough, this limits B to a
  314.       value that meets the constraint [1] for a large MSL value.  For
  315.       example, consider a transcontinental backbone with an RTT of 60ms
  316.       (set by the laws of physics).  With the bandwidth*delay product
  317.       limited to 64KB by the TCP window size, B is then limited to
  318.       1.1MBps, no matter how high the theoretical transfer rate of the
  319.       path.  This corresponds to cycling the sequence number space in
  320.       Twrap= 2000 secs, which is safe in today's Internet.
  321.  
  322.       It is important to understand that the culprit is not the larger
  323.       window but rather the high bandwidth.  For example, consider a
  324.       (very large) FDDI LAN with a diameter of 10km.  Using the speed of
  325.       light, we can compute the RTT across the ring as
  326.       (2*10**4)/(3*10**8) = 67 microseconds, and the delay*bandwidth
  327.       product is then 833 bytes.  A TCP connection across this LAN using
  328.       a window of only 833 bytes will run at the full 100mbps and can
  329.       wrap the sequence space in about 3 minutes, very close to the MSL
  330.       of TCP.  Thus, high speed alone can cause a reliability problem
  331.       with sequence number wrap-around, even without extended windows.
  332.  
  333.       Watson's Delta-T protocol [Watson81] includes network-layer
  334.       mechanisms for precise enforcement of an MSL.  In contrast, the IP
  335.  
  336.  
  337.  
  338. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 6]
  339.  
  340. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  341.  
  342.  
  343.       mechanism for MSL enforcement is loosely defined and even more
  344.       loosely implemented in the Internet.  Therefore, it is unwise to
  345.       depend upon active enforcement of MSL for TCP connections, and it
  346.       is unrealistic to imagine setting MSL's smaller than the current
  347.       values (e.g., 120 seconds specified for TCP).
  348.  
  349.       A possible fix for the problem of cycling the sequence space would
  350.       be to increase the size of the TCP sequence number field.  For
  351.       example, the sequence number field (and also the acknowledgment
  352.       field) could be expanded to 64 bits.  This could be done either by
  353.       changing the TCP header or by means of an additional option.
  354.  
  355.       Section 5 presents a different mechanism, which we call PAWS
  356.       (Protect Against Wrapped Sequence numbers), to extend TCP
  357.       reliability to transfer rates well beyond the foreseeable upper
  358.       limit of network bandwidths.  PAWS uses the TCP Timestamps option
  359.       defined in Section 4 to protect against old duplicates from the
  360.       same connection.
  361.  
  362.    1.3 Using TCP options
  363.  
  364.       The extensions defined in this memo all use new TCP options.  We
  365.       must address two possible issues concerning the use of TCP
  366.       options: (1) compatibility and (2) overhead.
  367.  
  368.       We must pay careful attention to compatibility, i.e., to
  369.       interoperation with existing implementations.  The only TCP option
  370.       defined previously, MSS, may appear only on a SYN segment.  Every
  371.       implementation should (and we expect that most will) ignore
  372.       unknown options on SYN segments.  However, some buggy TCP
  373.       implementation might be crashed by the first appearance of an
  374.       option on a non-SYN segment.  Therefore, for each of the
  375.       extensions defined below, TCP options will be sent on non-SYN
  376.       segments only when an exchange of options on the SYN segments has
  377.       indicated that both sides understand the extension.  Furthermore,
  378.       an extension option will be sent in a <SYN,ACK> segment only if
  379.       the corresponding option was received in the initial <SYN>
  380.       segment.
  381.  
  382.       A question may be raised about the bandwidth and processing
  383.       overhead for TCP options.  Those options that occur on SYN
  384.       segments are not likely to cause a performance concern.  Opening a
  385.       TCP connection requires execution of significant special-case
  386.       code, and the processing of options is unlikely to increase that
  387.       cost significantly.
  388.  
  389.       On the other hand, a Timestamps option may appear in any data or
  390.       ACK segment, adding 12 bytes to the 20-byte TCP header.  We
  391.  
  392.  
  393.  
  394. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 7]
  395.  
  396. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  397.  
  398.  
  399.       believe that the bandwidth saved by reducing unnecessary
  400.       retransmissions will more than pay for the extra header bandwidth.
  401.  
  402.       There is also an issue about the processing overhead for parsing
  403.       the variable byte-aligned format of options, particularly with a
  404.       RISC-architecture CPU.  To meet this concern, Appendix A contains
  405.       a recommended layout of the options in TCP headers to achieve
  406.       reasonable data field alignment.  In the spirit of Header
  407.       Prediction, a TCP can quickly test for this layout and if it is
  408.       verified then use a fast path.  Hosts that use this canonical
  409.       layout will effectively use the options as a set of fixed-format
  410.       fields appended to the TCP header.  However, to retain the
  411.       philosophical and protocol framework of TCP options, a TCP must be
  412.       prepared to parse an arbitrary options field, albeit with less
  413.       efficiency.
  414.  
  415.       Finally, we observe that most of the mechanisms defined in this
  416.       memo are important for LFN's and/or very high-speed networks.  For
  417.       low-speed networks, it might be a performance optimization to NOT
  418.       use these mechanisms.  A TCP vendor concerned about optimal
  419.       performance over low-speed paths might consider turning these
  420.       extensions off for low-speed paths, or allow a user or
  421.       installation manager to disable them.
  422.  
  423.  
  424. 2. TCP WINDOW SCALE OPTION
  425.  
  426.    2.1  Introduction
  427.  
  428.       The window scale extension expands the definition of the TCP
  429.       window to 32 bits and then uses a scale factor to carry this 32-
  430.       bit value in the 16-bit Window field of the TCP header (SEG.WND in
  431.       RFC-793).  The scale factor is carried in a new TCP option, Window
  432.       Scale.  This option is sent only in a SYN segment (a segment with
  433.       the SYN bit on), hence the window scale is fixed in each direction
  434.       when a connection is opened.  (Another design choice would be to
  435.       specify the window scale in every TCP segment.  It would be
  436.       incorrect to send a window scale option only when the scale factor
  437.       changed, since a TCP option in an acknowledgement segment will not
  438.       be delivered reliably (unless the ACK happens to be piggy-backed
  439.       on data in the other direction).  Fixing the scale when the
  440.       connection is opened has the advantage of lower overhead but the
  441.       disadvantage that the scale factor cannot be changed during the
  442.       connection.)
  443.  
  444.       The maximum receive window, and therefore the scale factor, is
  445.       determined by the maximum receive buffer space.  In a typical
  446.       modern implementation, this maximum buffer space is set by default
  447.  
  448.  
  449.  
  450. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 8]
  451.  
  452. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  453.  
  454.  
  455.       but can be overridden by a user program before a TCP connection is
  456.       opened.  This determines the scale factor, and therefore no new
  457.       user interface is needed for window scaling.
  458.  
  459.    2.2  Window Scale Option
  460.  
  461.       The three-byte Window Scale option may be sent in a SYN segment by
  462.       a TCP.  It has two purposes: (1) indicate that the TCP is prepared
  463.       to do both send and receive window scaling, and (2) communicate a
  464.       scale factor to be applied to its receive window.  Thus, a TCP
  465.       that is prepared to scale windows should send the option, even if
  466.       its own scale factor is 1.  The scale factor is limited to a power
  467.       of two and encoded logarithmically, so it may be implemented by
  468.       binary shift operations.
  469.  
  470.  
  471.       TCP Window Scale Option (WSopt):
  472.  
  473.          Kind: 3 Length: 3 bytes
  474.  
  475.                 +---------+---------+---------+
  476.                 | Kind=3  |Length=3 |shift.cnt|
  477.                 +---------+---------+---------+
  478.  
  479.  
  480.          This option is an offer, not a promise; both sides must send
  481.          Window Scale options in their SYN segments to enable window
  482.          scaling in either direction.  If window scaling is enabled,
  483.          then the TCP that sent this option will right-shift its true
  484.          receive-window values by 'shift.cnt' bits for transmission in
  485.          SEG.WND.  The value 'shift.cnt' may be zero (offering to scale,
  486.          while applying a scale factor of 1 to the receive window).
  487.  
  488.          This option may be sent in an initial <SYN> segment (i.e., a
  489.          segment with the SYN bit on and the ACK bit off).  It may also
  490.          be sent in a <SYN,ACK> segment, but only if a Window Scale op-
  491.          tion was received in the initial <SYN> segment.  A Window Scale
  492.          option in a segment without a SYN bit should be ignored.
  493.  
  494.          The Window field in a SYN (i.e., a <SYN> or <SYN,ACK>) segment
  495.          itself is never scaled.
  496.  
  497.    2.3  Using the Window Scale Option
  498.  
  499.       A model implementation of window scaling is as follows, using the
  500.       notation of RFC-793 [Postel81]:
  501.  
  502.       *    All windows are treated as 32-bit quantities for storage in
  503.  
  504.  
  505.  
  506. Jacobson, Braden, & Borman                                      [Page 9]
  507.  
  508. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  509.  
  510.  
  511.            the connection control block and for local calculations.
  512.            This includes the send-window (SND.WND) and the receive-
  513.            window (RCV.WND) values, as well as the congestion window.
  514.  
  515.       *    The connection state is augmented by two window shift counts,
  516.            Snd.Wind.Scale and Rcv.Wind.Scale, to be applied to the
  517.            incoming and outgoing window fields, respectively.
  518.  
  519.       *    If a TCP receives a <SYN> segment containing a Window Scale
  520.            option, it sends its own Window Scale option in the <SYN,ACK>
  521.            segment.
  522.  
  523.       *    The Window Scale option is sent with shift.cnt = R, where R
  524.            is the value that the TCP would like to use for its receive
  525.            window.
  526.  
  527.       *    Upon receiving a SYN segment with a Window Scale option
  528.            containing shift.cnt = S, a TCP sets Snd.Wind.Scale to S and
  529.            sets Rcv.Wind.Scale to R; otherwise, it sets both
  530.            Snd.Wind.Scale and Rcv.Wind.Scale to zero.
  531.  
  532.       *    The window field (SEG.WND) in the header of every incoming
  533.            segment, with the exception of SYN segments, is left-shifted
  534.            by Snd.Wind.Scale bits before updating SND.WND:
  535.  
  536.               SND.WND = SEG.WND << Snd.Wind.Scale
  537.  
  538.            (assuming the other conditions of RFC793 are met, and using
  539.            the "C" notation "<<" for left-shift).
  540.  
  541.       *    The window field (SEG.WND) of every outgoing segment, with
  542.            the exception of SYN segments, is right-shifted by
  543.            Rcv.Wind.Scale bits:
  544.  
  545.               SEG.WND = RCV.WND >> Rcv.Wind.Scale.
  546.  
  547.  
  548.       TCP determines if a data segment is "old" or "new" by testing
  549.       whether its sequence number is within 2**31 bytes of the left edge
  550.       of the window, and if it is not, discarding the data as "old".  To
  551.       insure that new data is never mistakenly considered old and vice-
  552.       versa, the left edge of the sender's window has to be at most
  553.       2**31 away from the right edge of the receiver's window.
  554.       Similarly with the sender's right edge and receiver's left edge.
  555.       Since the right and left edges of either the sender's or
  556.       receiver's window differ by the window size, and since the sender
  557.       and receiver windows can be out of phase by at most the window
  558.       size, the above constraints imply that 2 * the max window size
  559.  
  560.  
  561.  
  562. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 10]
  563.  
  564. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  565.  
  566.  
  567.       must be less than 2**31, or
  568.  
  569.            max window < 2**30
  570.  
  571.       Since the max window is 2**S (where S is the scaling shift count)
  572.       times at most 2**16 - 1 (the maximum unscaled window), the maximum
  573.       window is guaranteed to be < 2*30 if S <= 14.  Thus, the shift
  574.       count must be limited to 14 (which allows windows of 2**30 = 1
  575.       Gbyte).  If a Window Scale option is received with a shift.cnt
  576.       value exceeding 14, the TCP should log the error but use 14
  577.       instead of the specified value.
  578.  
  579.       The scale factor applies only to the Window field as transmitted
  580.       in the TCP header; each TCP using extended windows will maintain
  581.       the window values locally as 32-bit numbers.  For example, the
  582.       "congestion window" computed by Slow Start and Congestion
  583.       Avoidance is not affected by the scale factor, so window scaling
  584.       will not introduce quantization into the congestion window.
  585.  
  586. 3.  RTTM: ROUND-TRIP TIME MEASUREMENT
  587.  
  588.    3.1  Introduction
  589.  
  590.       Accurate and current RTT estimates are necessary to adapt to
  591.       changing traffic conditions and to avoid an instability known as
  592.       "congestion collapse" [Nagle84] in a busy network.  However,
  593.       accurate measurement of RTT may be difficult both in theory and in
  594.       implementation.
  595.  
  596.       Many TCP implementations base their RTT measurements upon a sample
  597.       of only one packet per window.  While this yields an adequate
  598.       approximation to the RTT for small windows, it results in an
  599.       unacceptably poor RTT estimate for an LFN.  If we look at RTT
  600.       estimation as a signal processing problem (which it is), a data
  601.       signal at some frequency, the packet rate, is being sampled at a
  602.       lower frequency, the window rate.  This lower sampling frequency
  603.       violates Nyquist's criteria and may therefore introduce "aliasing"
  604.       artifacts into the estimated RTT [Hamming77].
  605.  
  606.       A good RTT estimator with a conservative retransmission timeout
  607.       calculation can tolerate aliasing when the sampling frequency is
  608.       "close" to the data frequency.   For example, with a window of 8
  609.       packets, the sample rate is 1/8 the data frequency -- less than an
  610.       order of magnitude different.  However, when the window is tens or
  611.       hundreds of packets, the RTT estimator may be seriously in error,
  612.       resulting in spurious retransmissions.
  613.  
  614.       If there are dropped packets, the problem becomes worse.  Zhang
  615.  
  616.  
  617.  
  618. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 11]
  619.  
  620. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  621.  
  622.  
  623.       [Zhang86], Jain [Jain86] and Karn [Karn87] have shown that it is
  624.       not possible to accumulate reliable RTT estimates if retransmitted
  625.       segments are included in the estimate.  Since a full window of
  626.       data will have been transmitted prior to a retransmission, all of
  627.       the segments in that window will have to be ACKed before the next
  628.       RTT sample can be taken.  This means at least an additional
  629.       window's worth of time between RTT measurements and, as the error
  630.       rate approaches one per window of data (e.g., 10**-6 errors per
  631.       bit for the Wideband satellite network), it becomes effectively
  632.       impossible to obtain a valid RTT measurement.
  633.  
  634.       A solution to these problems, which actually simplifies the sender
  635.       substantially, is as follows: using TCP options, the sender places
  636.       a timestamp in each data segment, and the receiver reflects these
  637.       timestamps back in ACK segments.  Then a single subtract gives the
  638.       sender an accurate RTT measurement for every ACK segment (which
  639.       will correspond to every other data segment, with a sensible
  640.       receiver).  We call this the RTTM (Round-Trip Time Measurement)
  641.       mechanism.
  642.  
  643.       It is vitally important to use the RTTM mechanism with big
  644.       windows; otherwise, the door is opened to some dangerous
  645.       instabilities due to aliasing.  Furthermore, the option is
  646.       probably useful for all TCP's, since it simplifies the sender.
  647.  
  648.    3.2  TCP Timestamps Option
  649.  
  650.       TCP is a symmetric protocol, allowing data to be sent at any time
  651.       in either direction, and therefore timestamp echoing may occur in
  652.       either direction.  For simplicity and symmetry, we specify that
  653.       timestamps always be sent and echoed in both directions.  For
  654.       efficiency, we combine the timestamp and timestamp reply fields
  655.       into a single TCP Timestamps Option.
  656.  
  657.  
  658.  
  659.  
  660.  
  661.  
  662.  
  663.  
  664.  
  665.  
  666.  
  667.  
  668.  
  669.  
  670.  
  671.  
  672.  
  673.  
  674. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 12]
  675.  
  676. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  677.  
  678.  
  679.       TCP Timestamps Option (TSopt):
  680.  
  681.          Kind: 8
  682.  
  683.          Length: 10 bytes
  684.  
  685.           +-------+-------+---------------------+---------------------+
  686.           |Kind=8 |  10   |   TS Value (TSval)  |TS Echo Reply (TSecr)|
  687.           +-------+-------+---------------------+---------------------+
  688.               1       1              4                     4
  689.  
  690.          The Timestamps option carries two four-byte timestamp fields.
  691.          The Timestamp Value field (TSval) contains the current value of
  692.          the timestamp clock of the TCP sending the option.
  693.  
  694.          The Timestamp Echo Reply field (TSecr) is only valid if the ACK
  695.          bit is set in the TCP header; if it is valid, it echos a times-
  696.          tamp value that was sent by the remote TCP in the TSval field
  697.          of a Timestamps option.  When TSecr is not valid, its value
  698.          must be zero.  The TSecr value will generally be from the most
  699.          recent Timestamp option that was received; however, there are
  700.          exceptions that are explained below.
  701.  
  702.          A TCP may send the Timestamps option (TSopt) in an initial
  703.          <SYN> segment (i.e., segment containing a SYN bit and no ACK
  704.          bit), and may send a TSopt in other segments only if it re-
  705.          ceived a TSopt in the initial <SYN> segment for the connection.
  706.  
  707.    3.3 The RTTM Mechanism
  708.  
  709.       The timestamp value to be sent in TSval is to be obtained from a
  710.       (virtual) clock that we call the "timestamp clock".  Its values
  711.       must be at least approximately proportional to real time, in order
  712.       to measure actual RTT.
  713.  
  714.       The following example illustrates a one-way data flow with
  715.       segments arriving in sequence without loss.  Here A, B, C...
  716.       represent data blocks occupying successive blocks of sequence
  717.       numbers, and ACK(A),...  represent the corresponding cumulative
  718.       acknowledgments.  The two timestamp fields of the Timestamps
  719.       option are shown symbolically as <TSval= x,TSecr=y>.  Each TSecr
  720.       field contains the value most recently received in a TSval field.
  721.  
  722.  
  723.  
  724.  
  725.  
  726.  
  727.  
  728.  
  729.  
  730. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 13]
  731.  
  732. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  733.  
  734.  
  735.  
  736.          TCP  A                                          TCP B
  737.  
  738.                         <A,TSval=1,TSecr=120> ------>
  739.  
  740.              <---- <ACK(A),TSval=127,TSecr=1>
  741.  
  742.                         <B,TSval=5,TSecr=127> ------>
  743.  
  744.              <---- <ACK(B),TSval=131,TSecr=5>
  745.  
  746.              . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  747.  
  748.                         <C,TSval=65,TSecr=131> ------>
  749.  
  750.              <---- <ACK(C),TSval=191,TSecr=65>
  751.  
  752.                         (etc)
  753.  
  754.  
  755.       The dotted line marks a pause (60 time units long) in which A had
  756.       nothing to send.  Note that this pause inflates the RTT which B
  757.       could infer from receiving TSecr=131 in data segment C.  Thus, in
  758.       one-way data flows, RTTM in the reverse direction measures a value
  759.       that is inflated by gaps in sending data.  However, the following
  760.       rule prevents a resulting inflation of the measured RTT:
  761.  
  762.            A TSecr value received in a segment is used to update the
  763.            averaged RTT measurement only if the segment acknowledges
  764.            some new data, i.e., only if it advances the left edge of the
  765.            send window.
  766.  
  767.       Since TCP B is not sending data, the data segment C does not
  768.       acknowledge any new data when it arrives at B.  Thus, the inflated
  769.       RTTM measurement is not used to update B's RTTM measurement.
  770.  
  771.    3.4  Which Timestamp to Echo
  772.  
  773.       If more than one Timestamps option is received before a reply
  774.       segment is sent, the TCP must choose only one of the TSvals to
  775.       echo, ignoring the others.  To minimize the state kept in the
  776.       receiver (i.e., the number of unprocessed TSvals), the receiver
  777.       should be required to retain at most one timestamp in the
  778.       connection control block.
  779.  
  780.  
  781.  
  782.  
  783.  
  784.  
  785.  
  786. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 14]
  787.  
  788. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  789.  
  790.  
  791.       There are three situations to consider:
  792.  
  793.       (A)  Delayed ACKs.
  794.  
  795.            Many TCP's acknowledge only every Kth segment out of a group
  796.            of segments arriving within a short time interval; this
  797.            policy is known generally as "delayed ACKs".  The data-sender
  798.            TCP must measure the effective RTT, including the additional
  799.            time due to delayed ACKs, or else it will retransmit
  800.            unnecessarily.  Thus, when delayed ACKs are in use, the
  801.            receiver should reply with the TSval field from the earliest
  802.            unacknowledged segment.
  803.  
  804.       (B)  A hole in the sequence space (segment(s) have been lost).
  805.  
  806.            The sender will continue sending until the window is filled,
  807.            and the receiver may be generating ACKs as these out-of-order
  808.            segments arrive (e.g., to aid "fast retransmit").
  809.  
  810.            The lost segment is probably a sign of congestion, and in
  811.            that situation the sender should be conservative about
  812.            retransmission.  Furthermore, it is better to overestimate
  813.            than underestimate the RTT.  An ACK for an out-of-order
  814.            segment should therefore contain the timestamp from the most
  815.            recent segment that advanced the window.
  816.  
  817.            The same situation occurs if segments are re-ordered by the
  818.            network.
  819.  
  820.       (C)  A filled hole in the sequence space.
  821.  
  822.            The segment that fills the hole represents the most recent
  823.            measurement of the network characteristics.  On the other
  824.            hand, an RTT computed from an earlier segment would probably
  825.            include the sender's retransmit time-out, badly biasing the
  826.            sender's average RTT estimate.  Thus, the timestamp from the
  827.            latest segment (which filled the hole) must be echoed.
  828.  
  829.       An algorithm that covers all three cases is described in the
  830.       following rules for Timestamps option processing on a synchronized
  831.       connection:
  832.  
  833.       (1)  The connection state is augmented with two 32-bit slots:
  834.            TS.Recent holds a timestamp to be echoed in TSecr whenever a
  835.            segment is sent, and Last.ACK.sent holds the ACK field from
  836.            the last segment sent.  Last.ACK.sent will equal RCV.NXT
  837.            except when ACKs have been delayed.
  838.  
  839.  
  840.  
  841.  
  842. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 15]
  843.  
  844. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  845.  
  846.  
  847.       (2)  If Last.ACK.sent falls within the range of sequence numbers
  848.            of an incoming segment:
  849.  
  850.               SEG.SEQ <= Last.ACK.sent < SEG.SEQ + SEG.LEN
  851.  
  852.            then the TSval from the segment is copied to TS.Recent;
  853.            otherwise, the TSval is ignored.
  854.  
  855.       (3)  When a TSopt is sent, its TSecr field is set to the current
  856.            TS.Recent value.
  857.  
  858.       The following examples illustrate these rules.  Here A, B, C...
  859.       represent data segments occupying successive blocks of sequence
  860.       numbers, and ACK(A),...  represent the corresponding
  861.       acknowledgment segments.  Note that ACK(A) has the same sequence
  862.       number as B.  We show only one direction of timestamp echoing, for
  863.       clarity.
  864.  
  865.  
  866.       o    Packets arrive in sequence, and some of the ACKs are delayed.
  867.  
  868.            By Case (A), the timestamp from the oldest unacknowledged
  869.            segment is echoed.
  870.  
  871.                                                       TS.Recent
  872.                     <A, TSval=1> ------------------->
  873.                                                           1
  874.                     <B, TSval=2> ------------------->
  875.                                                           1
  876.                     <C, TSval=3> ------------------->
  877.                                                           1
  878.                              <---- <ACK(C), TSecr=1>
  879.                     (etc)
  880.  
  881.       o    Packets arrive out of order, and every packet is
  882.            acknowledged.
  883.  
  884.            By Case (B), the timestamp from the last segment that
  885.            advanced the left window edge is echoed, until the missing
  886.            segment arrives; it is echoed according to Case (C).  The
  887.            same sequence would occur if segments B and D were lost and
  888.            retransmitted..
  889.  
  890.  
  891.  
  892.  
  893.  
  894.  
  895.  
  896.  
  897.  
  898. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 16]
  899.  
  900. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  901.  
  902.  
  903.                                                       TS.Recent
  904.                     <A, TSval=1> ------------------->
  905.                                                           1
  906.                              <---- <ACK(A), TSecr=1>
  907.                                                           1
  908.                     <C, TSval=3> ------------------->
  909.                                                           1
  910.                              <---- <ACK(A), TSecr=1>
  911.                                                           1
  912.                     <B, TSval=2> ------------------->
  913.                                                           2
  914.                              <---- <ACK(C), TSecr=2>
  915.                                                           2
  916.                     <E, TSval=5> ------------------->
  917.                                                           2
  918.                              <---- <ACK(C), TSecr=2>
  919.                                                           2
  920.                     <D, TSval=4> ------------------->
  921.                                                           4
  922.                              <---- <ACK(E), TSecr=4>
  923.                     (etc)
  924.  
  925.  
  926.  
  927.  
  928. 4.  PAWS: PROTECT AGAINST WRAPPED SEQUENCE NUMBERS
  929.  
  930.    4.1  Introduction
  931.  
  932.       Section 4.2 describes a simple mechanism to reject old duplicate
  933.       segments that might corrupt an open TCP connection; we call this
  934.       mechanism PAWS (Protect Against Wrapped Sequence numbers).  PAWS
  935.       operates within a single TCP connection, using state that is saved
  936.       in the connection control block.  Section 4.3 and Appendix C
  937.       discuss the implications of the PAWS mechanism for avoiding old
  938.       duplicates from previous incarnations of the same connection.
  939.  
  940.    4.2  The PAWS Mechanism
  941.  
  942.       PAWS uses the same TCP Timestamps option as the RTTM mechanism
  943.       described earlier, and assumes that every received TCP segment
  944.       (including data and ACK segments) contains a timestamp SEG.TSval
  945.       whose values are monotone non-decreasing in time.  The basic idea
  946.       is that a segment can be discarded as an old duplicate if it is
  947.       received with a timestamp SEG.TSval less than some timestamp
  948.       recently received on this connection.
  949.  
  950.       In both the PAWS and the RTTM mechanism, the "timestamps" are 32-
  951.  
  952.  
  953.  
  954. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 17]
  955.  
  956. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  957.  
  958.  
  959.       bit unsigned integers in a modular 32-bit space.  Thus, "less
  960.       than" is defined the same way it is for TCP sequence numbers, and
  961.       the same implementation techniques apply.  If s and t are
  962.       timestamp values, s < t if 0 < (t - s) < 2**31, computed in
  963.       unsigned 32-bit arithmetic.
  964.  
  965.       The choice of incoming timestamps to be saved for this comparison
  966.       must guarantee a value that is monotone increasing.  For example,
  967.       we might save the timestamp from the segment that last advanced
  968.       the left edge of the receive window, i.e., the most recent in-
  969.       sequence segment.  Instead, we choose the value TS.Recent
  970.       introduced in Section 3.4 for the RTTM mechanism, since using a
  971.       common value for both PAWS and RTTM simplifies the implementation
  972.       of both.  As Section 3.4 explained, TS.Recent differs from the
  973.       timestamp from the last in-sequence segment only in the case of
  974.       delayed ACKs, and therefore by less than one window.  Either
  975.       choice will therefore protect against sequence number wrap-around.
  976.  
  977.       RTTM was specified in a symmetrical manner, so that TSval
  978.       timestamps are carried in both data and ACK segments and are
  979.       echoed in TSecr fields carried in returning ACK or data segments.
  980.       PAWS submits all incoming segments to the same test, and therefore
  981.       protects against duplicate ACK segments as well as data segments.
  982.       (An alternative un-symmetric algorithm would protect against old
  983.       duplicate ACKs: the sender of data would reject incoming ACK
  984.       segments whose TSecr values were less than the TSecr saved from
  985.       the last segment whose ACK field advanced the left edge of the
  986.       send window.  This algorithm was deemed to lack economy of
  987.       mechanism and symmetry.)
  988.  
  989.       TSval timestamps sent on {SYN} and {SYN,ACK} segments are used to
  990.       initialize PAWS.  PAWS protects against old duplicate non-SYN
  991.       segments, and duplicate SYN segments received while there is a
  992.       synchronized connection.  Duplicate {SYN} and {SYN,ACK} segments
  993.       received when there is no connection will be discarded by the
  994.       normal 3-way handshake and sequence number checks of TCP.
  995.  
  996.       It is recommended that RST segments NOT carry timestamps, and that
  997.       RST segments be acceptable regardless of their timestamp.  Old
  998.       duplicate RST segments should be exceedingly unlikely, and their
  999.       cleanup function should take precedence over timestamps.
  1000.  
  1001.       4.2.1  Basic PAWS Algorithm
  1002.  
  1003.          The PAWS algorithm requires the following processing to be
  1004.          performed on all incoming segments for a synchronized
  1005.          connection:
  1006.  
  1007.  
  1008.  
  1009.  
  1010. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 18]
  1011.  
  1012. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1013.  
  1014.  
  1015.          R1)  If there is a Timestamps option in the arriving segment
  1016.               and SEG.TSval < TS.Recent and if TS.Recent is valid (see
  1017.               later discussion), then treat the arriving segment as not
  1018.               acceptable:
  1019.  
  1020.                    Send an acknowledgement in reply as specified in
  1021.                    RFC-793 page 69 and drop the segment.
  1022.  
  1023.                    Note: it is necessary to send an ACK segment in order
  1024.                    to retain TCP's mechanisms for detecting and
  1025.                    recovering from half-open connections.  For example,
  1026.                    see Figure 10 of RFC-793.
  1027.  
  1028.          R2)  If the segment is outside the window, reject it (normal
  1029.               TCP processing)
  1030.  
  1031.          R3)  If an arriving segment satisfies: SEG.SEQ <= Last.ACK.sent
  1032.               (see Section 3.4), then record its timestamp in TS.Recent.
  1033.  
  1034.          R4)  If an arriving segment is in-sequence (i.e., at the left
  1035.               window edge), then accept it normally.
  1036.  
  1037.          R5)  Otherwise, treat the segment as a normal in-window, out-
  1038.               of-sequence TCP segment (e.g., queue it for later delivery
  1039.               to the user).
  1040.  
  1041.          Steps R2, R4, and R5 are the normal TCP processing steps
  1042.          specified by RFC-793.
  1043.  
  1044.          It is important to note that the timestamp is checked only when
  1045.          a segment first arrives at the receiver, regardless of whether
  1046.          it is in-sequence or it must be queued for later delivery.
  1047.          Consider the following example.
  1048.  
  1049.               Suppose the segment sequence: A.1, B.1, C.1, ..., Z.1 has
  1050.               been sent, where the letter indicates the sequence number
  1051.               and the digit represents the timestamp.  Suppose also that
  1052.               segment B.1 has been lost.  The timestamp in TS.TStamp is
  1053.               1 (from A.1), so C.1, ..., Z.1 are considered acceptable
  1054.               and are queued.  When B is retransmitted as segment B.2
  1055.               (using the latest timestamp), it fills the hole and causes
  1056.               all the segments through Z to be acknowledged and passed
  1057.               to the user.  The timestamps of the queued segments are
  1058.               *not* inspected again at this time, since they have
  1059.               already been accepted.  When B.2 is accepted, TS.Stamp is
  1060.               set to 2.
  1061.  
  1062.          This rule allows reasonable performance under loss.  A full
  1063.  
  1064.  
  1065.  
  1066. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 19]
  1067.  
  1068. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1069.  
  1070.  
  1071.          window of data is in transit at all times, and after a loss a
  1072.          full window less one packet will show up out-of-sequence to be
  1073.          queued at the receiver (e.g., up to ~2**30 bytes of data); the
  1074.          timestamp option must not result in discarding this data.
  1075.  
  1076.          In certain unlikely circumstances, the algorithm of rules R1-R4
  1077.          could lead to discarding some segments unnecessarily, as shown
  1078.          in the following example:
  1079.  
  1080.               Suppose again that segments: A.1, B.1, C.1, ..., Z.1 have
  1081.               been sent in sequence and that segment B.1 has been lost.
  1082.               Furthermore, suppose delivery of some of C.1, ... Z.1 is
  1083.               delayed until AFTER the retransmission B.2 arrives at the
  1084.               receiver.  These delayed segments will be discarded
  1085.               unnecessarily when they do arrive, since their timestamps
  1086.               are now out of date.
  1087.  
  1088.          This case is very unlikely to occur.  If the retransmission was
  1089.          triggered by a timeout, some of the segments C.1, ... Z.1 must
  1090.          have been delayed longer than the RTO time.  This is presumably
  1091.          an unlikely event, or there would be many spurious timeouts and
  1092.          retransmissions.  If B's retransmission was triggered by the
  1093.          "fast retransmit" algorithm, i.e., by duplicate ACKs, then the
  1094.          queued segments that caused these ACKs must have been received
  1095.          already.
  1096.  
  1097.          Even if a segment were delayed past the RTO, the Fast
  1098.          Retransmit mechanism [Jacobson90c] will cause the delayed
  1099.          packets to be retransmitted at the same time as B.2, avoiding
  1100.          an extra RTT and therefore causing a very small performance
  1101.          penalty.
  1102.  
  1103.          We know of no case with a significant probability of occurrence
  1104.          in which timestamps will cause performance degradation by
  1105.          unnecessarily discarding segments.
  1106.  
  1107.       4.2.2  Timestamp Clock
  1108.  
  1109.          It is important to understand that the PAWS algorithm does not
  1110.          require clock synchronization between sender and receiver.  The
  1111.          sender's timestamp clock is used to stamp the segments, and the
  1112.          sender uses the echoed timestamp to measure RTT's.  However,
  1113.          the receiver treats the timestamp as simply a monotone-
  1114.          increasing serial number, without any necessary connection to
  1115.          its clock.  From the receiver's viewpoint, the timestamp is
  1116.          acting as a logical extension of the high-order bits of the
  1117.          sequence number.
  1118.  
  1119.  
  1120.  
  1121.  
  1122. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 20]
  1123.  
  1124. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1125.  
  1126.  
  1127.          The receiver algorithm does place some requirements on the
  1128.          frequency of the timestamp clock.
  1129.  
  1130.          (a)  The timestamp clock must not be "too slow".
  1131.  
  1132.               It must tick at least once for each 2**31 bytes sent.  In
  1133.               fact, in order to be useful to the sender for round trip
  1134.               timing, the clock should tick at least once per window's
  1135.               worth of data, and even with the RFC-1072 window
  1136.               extension, 2**31 bytes must be at least two windows.
  1137.  
  1138.               To make this more quantitative, any clock faster than 1
  1139.               tick/sec will reject old duplicate segments for link
  1140.               speeds of ~8 Gbps.  A 1ms timestamp clock will work at
  1141.               link speeds up to 8 Tbps (8*10**12) bps!
  1142.  
  1143.          (b)  The timestamp clock must not be "too fast".
  1144.  
  1145.               Its recycling time must be greater than MSL seconds.
  1146.               Since the clock (timestamp) is 32 bits and the worst-case
  1147.               MSL is 255 seconds, the maximum acceptable clock frequency
  1148.               is one tick every 59 ns.
  1149.  
  1150.               However, it is desirable to establish a much longer
  1151.               recycle period, in order to handle outdated timestamps on
  1152.               idle connections (see Section 4.2.3), and to relax the MSL
  1153.               requirement for preventing sequence number wrap-around.
  1154.               With a 1 ms timestamp clock, the 32-bit timestamp will
  1155.               wrap its sign bit in 24.8 days.  Thus, it will reject old
  1156.               duplicates on the same connection if MSL is 24.8 days or
  1157.               less.  This appears to be a very safe figure; an MSL of
  1158.               24.8 days or longer can probably be assumed by the gateway
  1159.               system without requiring precise MSL enforcement by the
  1160.               TTL value in the IP layer.
  1161.  
  1162.          Based upon these considerations, we choose a timestamp clock
  1163.          frequency in the range 1 ms to 1 sec per tick.  This range also
  1164.          matches the requirements of the RTTM mechanism, which does not
  1165.          need much more resolution than the granularity of the
  1166.          retransmit timer, e.g., tens or hundreds of milliseconds.
  1167.  
  1168.          The PAWS mechanism also puts a strong monotonicity requirement
  1169.          on the sender's timestamp clock.  The method of implementation
  1170.          of the timestamp clock to meet this requirement depends upon
  1171.          the system hardware and software.
  1172.  
  1173.          *    Some hosts have a hardware clock that is guaranteed to be
  1174.               monotonic between hardware resets.
  1175.  
  1176.  
  1177.  
  1178. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 21]
  1179.  
  1180. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1181.  
  1182.  
  1183.          *    A clock interrupt may be used to simply increment a binary
  1184.               integer by 1 periodically.
  1185.  
  1186.          *    The timestamp clock may be derived from a system clock
  1187.               that is subject to being abruptly changed, by adding a
  1188.               variable offset value.  This offset is initialized to
  1189.               zero.  When a new timestamp clock value is needed, the
  1190.               offset can be adjusted as necessary to make the new value
  1191.               equal to or larger than the previous value (which was
  1192.               saved for this purpose).
  1193.  
  1194.  
  1195.       4.2.3  Outdated Timestamps
  1196.  
  1197.          If a connection remains idle long enough for the timestamp
  1198.          clock of the other TCP to wrap its sign bit, then the value
  1199.          saved in TS.Recent will become too old; as a result, the PAWS
  1200.          mechanism will cause all subsequent segments to be rejected,
  1201.          freezing the connection (until the timestamp clock wraps its
  1202.          sign bit again).
  1203.  
  1204.          With the chosen range of timestamp clock frequencies (1 sec to
  1205.          1 ms), the time to wrap the sign bit will be between 24.8 days
  1206.          and 24800 days.  A TCP connection that is idle for more than 24
  1207.          days and then comes to life is exceedingly unusual.  However,
  1208.          it is undesirable in principle to place any limitation on TCP
  1209.          connection lifetimes.
  1210.  
  1211.          We therefore require that an implementation of PAWS include a
  1212.          mechanism to "invalidate" the TS.Recent value when a connection
  1213.          is idle for more than 24 days.  (An alternative solution to the
  1214.          problem of outdated timestamps would be to send keepalive
  1215.          segments at a very low rate, but still more often than the
  1216.          wrap-around time for timestamps, e.g., once a day.  This would
  1217.          impose negligible overhead.  However, the TCP specification has
  1218.          never included keepalives, so the solution based upon
  1219.          invalidation was chosen.)
  1220.  
  1221.          Note that a TCP does not know the frequency, and therefore, the
  1222.          wraparound time, of the other TCP, so it must assume the worst.
  1223.          The validity of TS.Recent needs to be checked only if the basic
  1224.          PAWS timestamp check fails, i.e., only if SEG.TSval <
  1225.          TS.Recent.  If TS.Recent is found to be invalid, then the
  1226.          segment is accepted, regardless of the failure of the timestamp
  1227.          check, and rule R3 updates TS.Recent with the TSval from the
  1228.          new segment.
  1229.  
  1230.          To detect how long the connection has been idle, the TCP may
  1231.  
  1232.  
  1233.  
  1234. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 22]
  1235.  
  1236. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1237.  
  1238.  
  1239.          update a clock or timestamp value associated with the
  1240.          connection whenever TS.Recent is updated, for example.  The
  1241.          details will be implementation-dependent.
  1242.  
  1243.       4.2.4  Header Prediction
  1244.  
  1245.          "Header prediction" [Jacobson90a] is a high-performance
  1246.          transport protocol implementation technique that is most
  1247.          important for high-speed links.  This technique optimizes the
  1248.          code for the most common case, receiving a segment correctly
  1249.          and in order.  Using header prediction, the receiver asks the
  1250.          question, "Is this segment the next in sequence?"  This
  1251.          question can be answered in fewer machine instructions than the
  1252.          question, "Is this segment within the window?"
  1253.  
  1254.          Adding header prediction to our timestamp procedure leads to
  1255.          the following recommended sequence for processing an arriving
  1256.          TCP segment:
  1257.  
  1258.          H1)  Check timestamp (same as step R1 above)
  1259.  
  1260.          H2)  Do header prediction: if segment is next in sequence and
  1261.               if there are no special conditions requiring additional
  1262.               processing, accept the segment, record its timestamp, and
  1263.               skip H3.
  1264.  
  1265.          H3)  Process the segment normally, as specified in RFC-793.
  1266.               This includes dropping segments that are outside the win-
  1267.               dow and possibly sending acknowledgments, and queueing
  1268.               in-window, out-of-sequence segments.
  1269.  
  1270.          Another possibility would be to interchange steps H1 and H2,
  1271.          i.e., to perform the header prediction step H2 FIRST, and
  1272.          perform H1 and H3 only when header prediction fails.  This
  1273.          could be a performance improvement, since the timestamp check
  1274.          in step H1 is very unlikely to fail, and it requires interval
  1275.          arithmetic on a finite field, a relatively expensive operation.
  1276.          To perform this check on every single segment is contrary to
  1277.          the philosophy of header prediction.  We believe that this
  1278.          change might reduce CPU time for TCP protocol processing by up
  1279.          to 5-10% on high-speed networks.
  1280.  
  1281.          However, putting H2 first would create a hazard: a segment from
  1282.          2**32 bytes in the past might arrive at exactly the wrong time
  1283.          and be accepted mistakenly by the header-prediction step.  The
  1284.          following reasoning has been introduced [Jacobson90b] to show
  1285.          that the probability of this failure is negligible.
  1286.  
  1287.  
  1288.  
  1289.  
  1290. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 23]
  1291.  
  1292. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1293.  
  1294.  
  1295.               If all segments are equally likely to show up as old
  1296.               duplicates, then the probability of an old duplicate
  1297.               exactly matching the left window edge is the maximum
  1298.               segment size (MSS) divided by the size of the sequence
  1299.               space.  This ratio must be less than 2**-16, since MSS
  1300.               must be < 2**16; for example, it will be (2**12)/(2**32) =
  1301.               2**-20 for an FDDI link.  However, the older a segment is,
  1302.               the less likely it is to be retained in the Internet, and
  1303.               under any reasonable model of segment lifetime the
  1304.               probability of an old duplicate exactly at the left window
  1305.               edge must be much smaller than 2**-16.
  1306.  
  1307.               The 16 bit TCP checksum also allows a basic unreliability
  1308.               of one part in 2**16.  A protocol mechanism whose
  1309.               reliability exceeds the reliability of the TCP checksum
  1310.               should be considered "good enough", i.e., it won't
  1311.               contribute significantly to the overall error rate.  We
  1312.               therefore believe we can ignore the problem of an old
  1313.               duplicate being accepted by doing header prediction before
  1314.               checking the timestamp.
  1315.  
  1316.          However, this probabilistic argument is not universally
  1317.          accepted, and the consensus at present is that the performance
  1318.          gain does not justify the hazard in the general case.  It is
  1319.          therefore recommended that H2 follow H1.
  1320.  
  1321.    4.3.  Duplicates from Earlier Incarnations of Connection
  1322.  
  1323.       The PAWS mechanism protects against errors due to sequence number
  1324.       wrap-around on high-speed connection.  Segments from an earlier
  1325.       incarnation of the same connection are also a potential cause of
  1326.       old duplicate errors.  In both cases, the TCP mechanisms to
  1327.       prevent such errors depend upon the enforcement of a maximum
  1328.       segment lifetime (MSL) by the Internet (IP) layer (see Appendix of
  1329.       RFC-1185 for a detailed discussion).  Unlike the case of sequence
  1330.       space wrap-around, the MSL required to prevent old duplicate
  1331.       errors from earlier incarnations does not depend upon the transfer
  1332.       rate.  If the IP layer enforces the recommended 2 minute MSL of
  1333.       TCP, and if the TCP rules are followed, TCP connections will be
  1334.       safe from earlier incarnations, no matter how high the network
  1335.       speed.  Thus, the PAWS mechanism is not required for this case.
  1336.  
  1337.       We may still ask whether the PAWS mechanism can provide additional
  1338.       security against old duplicates from earlier connections, allowing
  1339.       us to relax the enforcement of MSL by the IP layer.  Appendix B
  1340.       explores this question, showing that further assumptions and/or
  1341.       mechanisms are required, beyond those of PAWS.  This is not part
  1342.       of the current extension.
  1343.  
  1344.  
  1345.  
  1346. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 24]
  1347.  
  1348. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1349.  
  1350.  
  1351. 5.  CONCLUSIONS AND ACKNOWLEDGMENTS
  1352.  
  1353.    This memo presented a set of extensions to TCP to provide efficient
  1354.    operation over large-bandwidth*delay-product paths and reliable
  1355.    operation over very high-speed paths.  These extensions are designed
  1356.    to provide compatible interworking with TCP's that do not implement
  1357.    the extensions.
  1358.  
  1359.    These mechanisms are implemented using new TCP options for scaled
  1360.    windows and timestamps.  The timestamps are used for two distinct
  1361.    mechanisms: RTTM (Round Trip Time Measurement) and PAWS (Protect
  1362.    Against Wrapped Sequences).
  1363.  
  1364.    The Window Scale option was originally suggested by Mike St. Johns of
  1365.    USAF/DCA.  The present form of the option was suggested by Mike
  1366.    Karels of UC Berkeley in response to a more cumbersome scheme defined
  1367.    by Van Jacobson.  Lixia Zhang helped formulate the PAWS mechanism
  1368.    description in RFC-1185.
  1369.  
  1370.    Finally, much of this work originated as the result of discussions
  1371.    within the End-to-End Task Force on the theoretical limitations of
  1372.    transport protocols in general and TCP in particular.  More recently,
  1373.    task force members and other on the end2end-interest list have made
  1374.    valuable contributions by pointing out flaws in the algorithms and
  1375.    the documentation.  The authors are grateful for all these
  1376.    contributions.
  1377.  
  1378. 6.  REFERENCES
  1379.  
  1380.       [Clark87]  Clark, D., Lambert, M., and L. Zhang, "NETBLT: A Bulk
  1381.       Data Transfer Protocol", RFC 998, MIT, March 1987.
  1382.  
  1383.       [Garlick77]  Garlick, L., R. Rom, and J. Postel, "Issues in
  1384.       Reliable Host-to-Host Protocols", Proc. Second Berkeley Workshop
  1385.       on Distributed Data Management and Computer Networks, May 1977.
  1386.  
  1387.       [Hamming77]  Hamming, R., "Digital Filters", ISBN 0-13-212571-4,
  1388.       Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1977.
  1389.  
  1390.       [Cheriton88]  Cheriton, D., "VMTP: Versatile Message Transaction
  1391.       Protocol", RFC 1045, Stanford University, February 1988.
  1392.  
  1393.       [Jacobson88a] Jacobson, V., "Congestion Avoidance and Control",
  1394.       SIGCOMM '88, Stanford, CA., August 1988.
  1395.  
  1396.       [Jacobson88b]  Jacobson, V., and R. Braden, "TCP Extensions for
  1397.       Long-Delay Paths", RFC-1072, LBL and USC/Information Sciences
  1398.       Institute, October 1988.
  1399.  
  1400.  
  1401.  
  1402. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 25]
  1403.  
  1404. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1405.  
  1406.  
  1407.       [Jacobson90a]  Jacobson, V., "4BSD Header Prediction", ACM
  1408.       Computer Communication Review, April 1990.
  1409.  
  1410.       [Jacobson90b]  Jacobson, V., Braden, R., and Zhang, L., "TCP
  1411.       Extension for High-Speed Paths", RFC-1185, LBL and USC/Information
  1412.       Sciences Institute, October 1990.
  1413.  
  1414.       [Jacobson90c]  Jacobson, V., "Modified TCP congestion avoidance
  1415.       algorithm", Message to end2end-interest mailing list, April 1990.
  1416.  
  1417.       [Jain86]  Jain, R., "Divergence of Timeout Algorithms for Packet
  1418.       Retransmissions", Proc. Fifth Phoenix Conf. on Comp. and Comm.,
  1419.       Scottsdale, Arizona, March 1986.
  1420.  
  1421.       [Karn87]  Karn, P. and C. Partridge, "Estimating Round-Trip Times
  1422.       in Reliable Transport Protocols", Proc. SIGCOMM '87, Stowe, VT,
  1423.       August 1987.
  1424.  
  1425.       [McKenzie89]  McKenzie, A., "A Problem with the TCP Big Window
  1426.       Option", RFC 1110, BBN STC, August 1989.
  1427.  
  1428.       [Nagle84]  Nagle, J., "Congestion Control in IP/TCP
  1429.       Internetworks", RFC 896, FACC, January 1984.
  1430.  
  1431.       [NBS85]  Colella, R., Aronoff, R., and K. Mills, "Performance
  1432.       Improvements for ISO Transport", Ninth Data Comm Symposium,
  1433.       published in ACM SIGCOMM Comp Comm Review, vol. 15, no. 5,
  1434.       September 1985.
  1435.  
  1436.       [Postel81]  Postel, J., "Transmission Control Protocol - DARPA
  1437.       Internet Program Protocol Specification", RFC 793, DARPA,
  1438.       September 1981.
  1439.  
  1440.       [Velten84] Velten, D., Hinden, R., and J. Sax, "Reliable Data
  1441.       Protocol", RFC 908, BBN, July 1984.
  1442.  
  1443.       [Watson81]  Watson, R., "Timer-based Mechanisms in Reliable
  1444.       Transport Protocol Connection Management", Computer Networks, Vol.
  1445.       5, 1981.
  1446.  
  1447.       [Zhang86]  Zhang, L., "Why TCP Timers Don't Work Well", Proc.
  1448.       SIGCOMM '86, Stowe, Vt., August 1986.
  1449.  
  1450.  
  1451.  
  1452.  
  1453.  
  1454.  
  1455.  
  1456.  
  1457.  
  1458. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 26]
  1459.  
  1460. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1461.  
  1462.  
  1463. APPENDIX A:  IMPLEMENTATION SUGGESTIONS
  1464.  
  1465.    The following layouts are recommended for sending options on non-SYN
  1466.    segments, to achieve maximum feasible alignment of 32-bit and 64-bit
  1467.    machines.
  1468.  
  1469.  
  1470.        +--------+--------+--------+--------+
  1471.        |   NOP  |  NOP   |  TSopt |   10   |
  1472.        +--------+--------+--------+--------+
  1473.        |          TSval   timestamp        |
  1474.        +--------+--------+--------+--------+
  1475.        |          TSecr   timestamp        |
  1476.        +--------+--------+--------+--------+
  1477.  
  1478.  
  1479. APPENDIX B: DUPLICATES FROM EARLIER CONNECTION INCARNATIONS
  1480.  
  1481.    There are two cases to be considered:  (1) a system crashing (and
  1482.    losing connection state) and restarting, and (2) the same connection
  1483.    being closed and reopened without a loss of host state.  These will
  1484.    be described in the following two sections.
  1485.  
  1486.    B.1  System Crash with Loss of State
  1487.  
  1488.       TCP's quiet time of one MSL upon system startup handles the loss
  1489.       of connection state in a system crash/restart.  For an
  1490.       explanation, see for example "When to Keep Quiet" in the TCP
  1491.       protocol specification [Postel81].  The MSL that is required here
  1492.       does not depend upon the transfer speed.  The current TCP MSL of 2
  1493.       minutes seems acceptable as an operational compromise, as many
  1494.       host systems take this long to boot after a crash.
  1495.  
  1496.       However, the timestamp option may be used to ease the MSL
  1497.       requirements (or to provide additional security against data
  1498.       corruption).  If timestamps are being used and if the timestamp
  1499.       clock can be guaranteed to be monotonic over a system
  1500.       crash/restart, i.e., if the first value of the sender's timestamp
  1501.       clock after a crash/restart can be guaranteed to be greater than
  1502.       the last value before the restart, then a quiet time will be
  1503.       unnecessary.
  1504.  
  1505.       To dispense totally with the quiet time would require that the
  1506.       host clock be synchronized to a time source that is stable over
  1507.       the crash/restart period, with an accuracy of one timestamp clock
  1508.       tick or better.  We can back off from this strict requirement to
  1509.       take advantage of approximate clock synchronization.  Suppose that
  1510.       the clock is always re-synchronized to within N timestamp clock
  1511.  
  1512.  
  1513.  
  1514. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 27]
  1515.  
  1516. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1517.  
  1518.  
  1519.       ticks and that booting (extended with a quiet time, if necessary)
  1520.       takes more than N ticks.  This will guarantee monotonicity of the
  1521.       timestamps, which can then be used to reject old duplicates even
  1522.       without an enforced MSL.
  1523.  
  1524.    B.2  Closing and Reopening a Connection
  1525.  
  1526.       When a TCP connection is closed, a delay of 2*MSL in TIME-WAIT
  1527.       state ties up the socket pair for 4 minutes (see Section 3.5 of
  1528.       [Postel81].  Applications built upon TCP that close one connection
  1529.       and open a new one (e.g., an FTP data transfer connection using
  1530.       Stream mode) must choose a new socket pair each time.  The TIME-
  1531.       WAIT delay serves two different purposes:
  1532.  
  1533.       (a)  Implement the full-duplex reliable close handshake of TCP.
  1534.  
  1535.            The proper time to delay the final close step is not really
  1536.            related to the MSL; it depends instead upon the RTO for the
  1537.            FIN segments and therefore upon the RTT of the path.  (It
  1538.            could be argued that the side that is sending a FIN knows
  1539.            what degree of reliability it needs, and therefore it should
  1540.            be able to determine the length of the TIME-WAIT delay for
  1541.            the FIN's recipient.  This could be accomplished with an
  1542.            appropriate TCP option in FIN segments.)
  1543.  
  1544.            Although there is no formal upper-bound on RTT, common
  1545.            network engineering practice makes an RTT greater than 1
  1546.            minute very unlikely.  Thus, the 4 minute delay in TIME-WAIT
  1547.            state works satisfactorily to provide a reliable full-duplex
  1548.            TCP close.  Note again that this is independent of MSL
  1549.            enforcement and network speed.
  1550.  
  1551.            The TIME-WAIT state could cause an indirect performance
  1552.            problem if an application needed to repeatedly close one
  1553.            connection and open another at a very high frequency, since
  1554.            the number of available TCP ports on a host is less than
  1555.            2**16.  However, high network speeds are not the major
  1556.            contributor to this problem; the RTT is the limiting factor
  1557.            in how quickly connections can be opened and closed.
  1558.            Therefore, this problem will be no worse at high transfer
  1559.            speeds.
  1560.  
  1561.       (b)  Allow old duplicate segments to expire.
  1562.  
  1563.            To replace this function of TIME-WAIT state, a mechanism
  1564.            would have to operate across connections.  PAWS is defined
  1565.            strictly within a single connection; the last timestamp is
  1566.            TS.Recent is kept in the connection control block, and
  1567.  
  1568.  
  1569.  
  1570. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 28]
  1571.  
  1572. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1573.  
  1574.  
  1575.            discarded when a connection is closed.
  1576.  
  1577.            An additional mechanism could be added to the TCP, a per-host
  1578.            cache of the last timestamp received from any connection.
  1579.            This value could then be used in the PAWS mechanism to reject
  1580.            old duplicate segments from earlier incarnations of the
  1581.            connection, if the timestamp clock can be guaranteed to have
  1582.            ticked at least once since the old connection was open.  This
  1583.            would require that the TIME-WAIT delay plus the RTT together
  1584.            must be at least one tick of the sender's timestamp clock.
  1585.            Such an extension is not part of the proposal of this RFC.
  1586.  
  1587.            Note that this is a variant on the mechanism proposed by
  1588.            Garlick, Rom, and Postel [Garlick77], which required each
  1589.            host to maintain connection records containing the highest
  1590.            sequence numbers on every connection.  Using timestamps
  1591.            instead, it is only necessary to keep one quantity per remote
  1592.            host, regardless of the number of simultaneous connections to
  1593.            that host.
  1594.  
  1595.  
  1596.  
  1597.  
  1598.  
  1599.  
  1600.  
  1601.  
  1602.  
  1603.  
  1604.  
  1605.  
  1606.  
  1607.  
  1608.  
  1609.  
  1610.  
  1611.  
  1612.  
  1613.  
  1614.  
  1615.  
  1616.  
  1617.  
  1618.  
  1619.  
  1620.  
  1621.  
  1622.  
  1623.  
  1624.  
  1625.  
  1626. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 29]
  1627.  
  1628. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1629.  
  1630.  
  1631. APPENDIX C: CHANGES FROM RFC-1072, RFC-1185
  1632.  
  1633.    The protocol extensions defined in this document differ in several
  1634.    important ways from those defined in RFC-1072 and RFC-1185.
  1635.  
  1636.    (a)  SACK has been deferred to a later memo.
  1637.  
  1638.    (b)  The detailed rules for sending timestamp replies (see Section
  1639.         3.4) differ in important ways.  The earlier rules could result
  1640.         in an under-estimate of the RTT in certain cases (packets
  1641.         dropped or out of order).
  1642.  
  1643.    (c)  The same value TS.Recent is now shared by the two distinct
  1644.         mechanisms RTTM and PAWS.  This simplification became possible
  1645.         because of change (b).
  1646.  
  1647.    (d)  An ambiguity in RFC-1185 was resolved in favor of putting
  1648.         timestamps on ACK as well as data segments.  This supports the
  1649.         symmetry of the underlying TCP protocol.
  1650.  
  1651.    (e)  The echo and echo reply options of RFC-1072 were combined into a
  1652.         single Timestamps option, to reflect the symmetry and to
  1653.         simplify processing.
  1654.  
  1655.    (f)  The problem of outdated timestamps on long-idle connections,
  1656.         discussed in Section 4.2.2, was realized and resolved.
  1657.  
  1658.    (g)  RFC-1185 recommended that header prediction take precedence over
  1659.         the timestamp check.  Based upon some scepticism about the
  1660.         probabilistic arguments given in Section 4.2.4, it was decided
  1661.         to recommend that the timestamp check be performed first.
  1662.  
  1663.    (h)  The spec was modified so that the extended options will be sent
  1664.         on <SYN,ACK> segments only when they are received in the
  1665.         corresponding <SYN> segments.  This provides the most
  1666.         conservative possible conditions for interoperation with
  1667.         implementations without the extensions.
  1668.  
  1669.    In addition to these substantive changes, the present RFC attempts to
  1670.    specify the algorithms unambiguously by presenting modifications to
  1671.    the Event Processing rules of RFC-793; see Appendix E.
  1672.  
  1673.  
  1674.  
  1675.  
  1676.  
  1677.  
  1678.  
  1679.  
  1680.  
  1681.  
  1682. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 30]
  1683.  
  1684. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1685.  
  1686.  
  1687. APPENDIX D: SUMMARY OF NOTATION
  1688.  
  1689.    The following notation has been used in this document.
  1690.  
  1691.    Options
  1692.  
  1693.        WSopt:       TCP Window Scale Option
  1694.        TSopt:       TCP Timestamps Option
  1695.  
  1696.    Option Fields
  1697.  
  1698.        shift.cnt:   Window scale byte in WSopt.
  1699.        TSval:       32-bit Timestamp Value field in TSopt.
  1700.        TSecr:       32-bit Timestamp Reply field in TSopt.
  1701.  
  1702.    Option Fields in Current Segment
  1703.  
  1704.        SEG.TSval:   TSval field from TSopt in current segment.
  1705.        SEG.TSecr:   TSecr field from TSopt in current segment.
  1706.        SEG.WSopt:   8-bit value in WSopt
  1707.  
  1708.    Clock Values
  1709.  
  1710.        my.TSclock:      Local source of 32-bit timestamp values
  1711.        my.TSclock.rate: Period of my.TSclock (1 ms to 1 sec).
  1712.  
  1713.    Per-Connection State Variables
  1714.  
  1715.        TS.Recent:       Latest received Timestamp
  1716.        Last.ACK.sent:   Last ACK field sent
  1717.  
  1718.        Snd.TS.OK:       1-bit flag
  1719.        Snd.WS.OK:       1-bit flag
  1720.  
  1721.        Rcv.Wind.Scale:  Receive window scale power
  1722.        Snd.Wind.Scale:  Send window scale power
  1723.  
  1724.  
  1725.  
  1726.  
  1727.  
  1728.  
  1729.  
  1730.  
  1731.  
  1732.  
  1733.  
  1734.  
  1735.  
  1736.  
  1737.  
  1738. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 31]
  1739.  
  1740. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1741.  
  1742.  
  1743. APPENDIX E: EVENT PROCESSING
  1744.  
  1745.  
  1746. Event Processing
  1747.  
  1748.   OPEN Call
  1749.  
  1750.      ...
  1751.     An initial send sequence number (ISS) is selected.  Send a SYN
  1752.     segment of the form:
  1753.  
  1754.         <SEQ=ISS><CTL=SYN><TSval=my.TSclock><WSopt=Rcv.Wind.Scale>
  1755.  
  1756.       ...
  1757.  
  1758.   SEND Call
  1759.  
  1760.     CLOSED STATE (i.e., TCB does not exist)
  1761.  
  1762.       ...
  1763.  
  1764.     LISTEN STATE
  1765.  
  1766.       If the foreign socket is specified, then change the connection
  1767.       from passive to active, select an ISS.  Send a SYN segment
  1768.       containing the options: <TSval=my.TSclock> and
  1769.       <WSopt=Rcv.Wind.Scale>.  Set SND.UNA to ISS, SND.NXT to ISS+1.
  1770.       Enter SYN-SENT state. ...
  1771.  
  1772.     SYN-SENT STATE
  1773.     SYN-RECEIVED STATE
  1774.  
  1775.       ...
  1776.  
  1777.     ESTABLISHED STATE
  1778.     CLOSE-WAIT STATE
  1779.  
  1780.       Segmentize the buffer and send it with a piggybacked
  1781.       acknowledgment (acknowledgment value = RCV.NXT).  ...
  1782.  
  1783.       If the urgent flag is set ...
  1784.  
  1785.       If the Snd.TS.OK flag is set, then include the TCP Timestamps
  1786.       option <TSval=my.TSclock,TSecr=TS.Recent> in each data segment.
  1787.  
  1788.       Scale the receive window for transmission in the segment header:
  1789.  
  1790.             SEG.WND = (SND.WND >> Rcv.Wind.Scale).
  1791.  
  1792.  
  1793.  
  1794. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 32]
  1795.  
  1796. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1797.  
  1798.  
  1799.   SEGMENT ARRIVES
  1800.  
  1801.      ...
  1802.  
  1803.     If the state is LISTEN then
  1804.  
  1805.       first check for an RST
  1806.  
  1807.         ...
  1808.  
  1809.       second check for an ACK
  1810.  
  1811.         ...
  1812.  
  1813.       third check for a SYN
  1814.  
  1815.         if the SYN bit is set, check the security.  If the ...
  1816.  
  1817.          ...
  1818.  
  1819.         If the SEG.PRC is less than the TCB.PRC then continue.
  1820.  
  1821.         Check for a Window Scale option (WSopt); if one is found, save
  1822.         SEG.WSopt in Snd.Wind.Scale and set Snd.WS.OK flag on.
  1823.         Otherwise, set both Snd.Wind.Scale and Rcv.Wind.Scale to zero
  1824.         and clear Snd.WS.OK flag.
  1825.  
  1826.         Check for a TSopt option; if one is found, save SEG.TSval in the
  1827.         variable TS.Recent and turn on the Snd.TS.OK bit.
  1828.  
  1829.         Set RCV.NXT to SEG.SEQ+1, IRS is set to SEG.SEQ and any other
  1830.         control or text should be queued for processing later.  ISS
  1831.         should be selected and a SYN segment sent of the form:
  1832.  
  1833.           <SEQ=ISS><ACK=RCV.NXT><CTL=SYN,ACK>
  1834.  
  1835.         If the Snd.WS.OK bit is on, include a WSopt option
  1836.         <WSopt=Rcv.Wind.Scale> in this segment.  If the Snd.TS.OK bit is
  1837.         on, include a TSopt <TSval=my.TSclock,TSecr=TS.Recent> in this
  1838.         segment.  Last.ACK.sent is set to RCV.NXT.
  1839.  
  1840.         SND.NXT is set to ISS+1 and SND.UNA to ISS.  The connection
  1841.         state should be changed to SYN-RECEIVED.  Note that any other
  1842.         incoming control or data (combined with SYN) will be processed
  1843.         in the SYN-RECEIVED state, but processing of SYN and ACK should
  1844.         not be repeated.  If the listen was not fully specified (i.e.,
  1845.         the foreign socket was not fully specified), then the
  1846.         unspecified fields should be filled in now.
  1847.  
  1848.  
  1849.  
  1850. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 33]
  1851.  
  1852. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1853.  
  1854.  
  1855.       fourth other text or control
  1856.  
  1857.        ...
  1858.  
  1859.     If the state is SYN-SENT then
  1860.  
  1861.       first check the ACK bit
  1862.  
  1863.         ...
  1864.  
  1865.       fourth check the SYN bit
  1866.  
  1867.          ...
  1868.  
  1869.         If the SYN bit is on and the security/compartment and precedence
  1870.         are acceptable then, RCV.NXT is set to SEG.SEQ+1, IRS is set to
  1871.         SEG.SEQ, and any acknowledgements on the retransmission queue
  1872.         which are thereby acknowledged should be removed.
  1873.  
  1874.         Check for a Window Scale option (WSopt); if is found, save
  1875.         SEG.WSopt in Snd.Wind.Scale; otherwise, set both Snd.Wind.Scale
  1876.         and Rcv.Wind.Scale to zero.
  1877.  
  1878.         Check for a TSopt option; if one is found, save SEG.TSval in
  1879.         variable TS.Recent and turn on the Snd.TS.OK bit in the
  1880.         connection control block.  If the ACK bit is set, use my.TSclock
  1881.         - SEG.TSecr as the initial RTT estimate.
  1882.  
  1883.         If SND.UNA > ISS (our SYN has been ACKed), change the connection
  1884.         state to ESTABLISHED, form an ACK segment:
  1885.  
  1886.             <SEQ=SND.NXT><ACK=RCV.NXT><CTL=ACK>
  1887.  
  1888.         and send it.  If the Snd.Echo.OK bit is on, include a TSopt
  1889.         option <TSval=my.TSclock,TSecr=TS.Recent> in this ACK segment.
  1890.         Last.ACK.sent is set to RCV.NXT.
  1891.  
  1892.         Data or controls which were queued for transmission may be
  1893.         included.  If there are other controls or text in the segment
  1894.         then continue processing at the sixth step below where the URG
  1895.         bit is checked, otherwise return.
  1896.  
  1897.         Otherwise enter SYN-RECEIVED, form a SYN,ACK segment:
  1898.  
  1899.             <SEQ=ISS><ACK=RCV.NXT><CTL=SYN,ACK>
  1900.  
  1901.         and send it.  If the Snd.Echo.OK bit is on, include a TSopt
  1902.         option <TSval=my.TSclock,TSecr=TS.Recent> in this segment.  If
  1903.  
  1904.  
  1905.  
  1906. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 34]
  1907.  
  1908. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1909.  
  1910.  
  1911.         the Snd.WS.OK bit is on, include a WSopt option
  1912.         <WSopt=Rcv.Wind.Scale> in this segment.  Last.ACK.sent is set to
  1913.         RCV.NXT.
  1914.  
  1915.         If there are other controls or text in the segment, queue them
  1916.         for processing after the ESTABLISHED state has been reached,
  1917.         return.
  1918.  
  1919.       fifth, if neither of the SYN or RST bits is set then drop the
  1920.       segment and return.
  1921.  
  1922.  
  1923.     Otherwise,
  1924.  
  1925.     First, check sequence number
  1926.  
  1927.       SYN-RECEIVED STATE
  1928.       ESTABLISHED STATE
  1929.       FIN-WAIT-1 STATE
  1930.       FIN-WAIT-2 STATE
  1931.       CLOSE-WAIT STATE
  1932.       CLOSING STATE
  1933.       LAST-ACK STATE
  1934.       TIME-WAIT STATE
  1935.  
  1936.         Segments are processed in sequence.  Initial tests on arrival
  1937.         are used to discard old duplicates, but further processing is
  1938.         done in SEG.SEQ order.  If a segment's contents straddle the
  1939.         boundary between old and new, only the new parts should be
  1940.         processed.
  1941.  
  1942.         Rescale the received window field:
  1943.  
  1944.             TrueWindow = SEG.WND << Snd.Wind.Scale,
  1945.  
  1946.         and use "TrueWindow" in place of SEG.WND in the following steps.
  1947.  
  1948.         Check whether the segment contains a Timestamps option and bit
  1949.         Snd.TS.OK is on.  If so:
  1950.  
  1951.           If SEG.TSval < TS.Recent, then test whether connection has
  1952.           been idle less than 24 days; if both are true, then the
  1953.           segment is not acceptable; follow steps below for an
  1954.           unacceptable segment.
  1955.  
  1956.           If SEG.SEQ is equal to Last.ACK.sent, then save SEG.ECopt in
  1957.           variable TS.Recent.
  1958.  
  1959.  
  1960.  
  1961.  
  1962. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 35]
  1963.  
  1964. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  1965.  
  1966.  
  1967.         There are four cases for the acceptability test for an incoming
  1968.         segment:
  1969.  
  1970.           ...
  1971.  
  1972.         If an incoming segment is not acceptable, an acknowledgment
  1973.         should be sent in reply (unless the RST bit is set, if so drop
  1974.         the segment and return):
  1975.  
  1976.           <SEQ=SND.NXT><ACK=RCV.NXT><CTL=ACK>
  1977.  
  1978.         Last.ACK.sent is set to SEG.ACK of the acknowledgment.  If the
  1979.         Snd.Echo.OK bit is on, include the Timestamps option
  1980.         <TSval=my.TSclock,TSecr=TS.Recent> in this ACK segment.  Set
  1981.         Last.ACK.sent to SEG.ACK and send the ACK segment.  After
  1982.         sending the acknowledgment, drop the unacceptable segment and
  1983.         return.
  1984.  
  1985.           ...
  1986.  
  1987.     fifth check the ACK field.
  1988.  
  1989.       if the ACK bit is off drop the segment and return.
  1990.  
  1991.       if the ACK bit is on
  1992.  
  1993.         ...
  1994.  
  1995.         ESTABLISHED STATE
  1996.  
  1997.           If SND.UNA < SEG.ACK =< SND.NXT then, set SND.UNA <- SEG.ACK.
  1998.           Also compute a new estimate of round-trip time.  If Snd.TS.OK
  1999.           bit is on, use my.TSclock - SEG.TSecr; otherwise use the
  2000.           elapsed time since the first segment in the retransmission
  2001.           queue was sent.  Any segments on the retransmission queue
  2002.           which are thereby entirely acknowledged...
  2003.  
  2004.             ...
  2005.  
  2006.     Seventh, process the segment text.
  2007.  
  2008.       ESTABLISHED STATE
  2009.       FIN-WAIT-1 STATE
  2010.       FIN-WAIT-2 STATE
  2011.  
  2012.           ...
  2013.  
  2014.         Send an acknowledgment of the form:
  2015.  
  2016.  
  2017.  
  2018. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 36]
  2019.  
  2020. RFC 1323          TCP Extensions for High Performance           May 1992
  2021.  
  2022.  
  2023.           <SEQ=SND.NXT><ACK=RCV.NXT><CTL=ACK>
  2024.  
  2025.         If the Snd.TS.OK bit is on, include Timestamps option
  2026.         <TSval=my.TSclock,TSecr=TS.Recent> in this ACK segment.  Set
  2027.         Last.ACK.sent to SEG.ACK of the acknowledgment, and send it.
  2028.         This acknowledgment should be piggy-backed on a segment being
  2029.         transmitted if possible without incurring undue delay.
  2030.  
  2031.  
  2032.          ...
  2033.  
  2034.  
  2035. Security Considerations
  2036.  
  2037.    Security issues are not discussed in this memo.
  2038.  
  2039. Authors' Addresses
  2040.  
  2041.    Van Jacobson
  2042.    University of California
  2043.    Lawrence Berkeley Laboratory
  2044.    Mail Stop 46A
  2045.    Berkeley, CA 94720
  2046.  
  2047.    Phone: (415) 486-6411
  2048.    EMail: van@CSAM.LBL.GOV
  2049.  
  2050.  
  2051.    Bob Braden
  2052.    University of Southern California
  2053.    Information Sciences Institute
  2054.    4676 Admiralty Way
  2055.    Marina del Rey, CA 90292
  2056.  
  2057.    Phone: (310) 822-1511
  2058.    EMail: Braden@ISI.EDU
  2059.  
  2060.  
  2061.    Dave Borman
  2062.    Cray Research
  2063.    655-E Lone Oak Drive
  2064.    Eagan, MN 55121
  2065.  
  2066.    Phone: (612) 683-5571
  2067.    Email: dab@cray.com
  2068.  
  2069.  
  2070.  
  2071.  
  2072.  
  2073.  
  2074. Jacobson, Braden, & Borman                                     [Page 37]
  2075.