昨天（Day 15）我們完成了第一個應用層協定 DNS Client，整個網路協定路徑為：

Application
    ↓
   DNS
    ↓
   UDP
    ↓
  IPv4
    ↓
Ethernet

今天（Day 16），我們正式踏入網際網路最核心、最龐大的傳輸層協定 —— TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協定）！

接下來 Day16～Day21 會形成一個 TCP 小系列：

Day16：讀懂 TCP Header，完成 TCP 封包接收與解析
Day17：建立 TCP Socket Table 與 TCP State Machine
Day18：收到 SYN 後建立連線槽位，並回覆 SYN-ACK
Day19：收到最後 ACK，進入 ESTABLISHED
Day20：在 ESTABLISHED 狀態接收 Payload，並回傳 ACK
Day21：主動送出 Payload，完成最小雙向資料傳輸

這個小系列的目標是先做出「最小可觀察、可理解」的 TCP 教學模型，而不是一次補齊真實 Kernel TCP 的所有機制。

現代網際網路幾乎所有重要的應用都建立在 TCP 之上：

HTTP / HTTPS (Web 瀏覽)
SSH (遠端連線)
Git (程式碼版本控制)
MySQL / PostgreSQL (資料庫連線)
SMTP / IMAP (電子郵件傳輸)

今天我們在自製網路堆疊中成功打通了 TCP 封包的接收、解析與解構路徑：

Ethernet
    ↓
  IPv4 (Protocol 6)
    ↓
   TCP

今日學習目標與成果

• [x] 理解 TCP 與 UDP 的差異：連線、可靠性、位元組流與標頭大小。
• [x] 定義最小 20 Bytes 的 struct tcp_hdr。
• [x] 解析 TCP 主要欄位：Port、SEQ、ACK、Data Offset、Flags、Window、Checksum。
• [x] 認識常見 TCP Flags：SYN、ACK、FIN、RST、PSH、URG。
• [x] 實作 tcp_receive()，讓 IPv4 Protocol 6 封包進入 TCP 解析流程。
• [x] 使用 send_tcp_syn 測試工具，在 TAP 上送入並解析第一個 TCP SYN 封包。

核心概念深入剖析

1. TCP 與 UDP 的最大差異

2. TCP Header 結構圖解（RFC 793）

標準 TCP 標頭固定最小長度為 20 Bytes（若無額外 Option）：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |  (4 Bytes)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |  (4 Bytes)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |  (4 Bytes)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |  (4 Bytes)
| (4b)  |   (6b)    |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |  (4 Bytes)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options and Padding (可選)                 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

3. 各欄位職責詳細解密

(1) 通訊埠（Source Port & Destination Port）— 各 16 bits (2 Bytes)

• IP 決定哪台主機，Port 決定哪個程式。
• Source Port：客戶端作業系統動態配發的臨時埠（如 52144）。
• Destination Port：目的服務埠（如 HTTP 80、HTTPS 443、SSH 22）。
• 讀取時需使用 ntohs() 轉換為本機位元組序。

(2) 序號（Sequence Number，SEQ）— 32 bits (4 Bytes)

• TCP 最核心的靈魂欄位。
• TCP 將傳輸視為無窮無盡的「Byte 串流」。當一段資料被拆成數個封包時，網路環境可能會導致封包順序錯亂或遺失。
• SEQ 標明了**「當前這包封包的第一個位元組，在整個資料流中是第幾個 Byte」**。接收端因此能精準拼裝還原原始資料，並發現遺失。
• 在三向交握的第一步（SYN），雙方各自生成隨機的初始序號（ISN, Initial Sequence Number）。
• 讀取時需使用 ntohl()。

(3) 確認號（Acknowledgment Number，ACK）— 32 bits (4 Bytes)

• 「確認送達」的回執機制。
• 代表接收端告訴發送端：「你送來的第 ACK 號之前的資料我都收齊了，下一包請從第 ACK 號開始送！」
• 只有在 Flags 的 ACK bit 為 1 時，此欄位才有效。
• 讀取時需使用 ntohl()。

(4) 資料位移（Data Offset）— 4 bits

• 標明 TCP Header 的長度，單位是 4 Bytes（32-bit Words）。
• 最小為 5（5 × 4 = 20 Bytes），若帶有 Options 會大於 5。
• 提取方式：(tcp->data_offset >> 4)。

(5) 滑動視窗（Window Size）— 16 bits (2 Bytes)

• 流量控制（Flow Control）核心。
• 接收端用來動態通知發送端：「我的 Buffer 目前還能裝多少 Bytes，請勿傳送超過此上限！」
• 當接收端消化不及，可宣告 Window = 0（Zero Window）迫使發送端暫停，防止接收端緩衝區溢位。

(6) 校驗和（Checksum）— 16 bits (2 Bytes)

• TCP Checksum 與 IPv4 Header Checksum 不同：IPv4 Header Checksum 只保護 IPv4 Header 本身；TCP Checksum 則涵蓋 TCP Header + TCP Payload，並額外結合包含來源/目的 IP、Protocol、TCP 長度的「虛擬標頭（Pseudo Header）」進行 16-bit One's Complement 反相校驗。
• 因為加入了 Pseudo Header，TCP 可以檢查封包是否不只資料沒壞，還有沒有被送錯 IP 端點。
• 本系列 Day16～Day21 的 TCP 教學版目前仍暫填 tcp->checksum = 0，測試工具也不驗證 TCP Checksum；若要與真實 OS TCP Stack 穩定互通，後續必須實作完整 TCP Pseudo Header Checksum。

(7) 緊急指標（Urgent Pointer）— 16 bits (2 Bytes)

• 當 Flags 的 URG 設為 1 時生效，標示緊急資料相對於 SEQ 的位移量（如傳送 Ctrl + C 中斷訊號）。

4. TCP Flags 控制儀表板

TCP Flags 是單個 Byte 中的位元標誌，每個 bit 代表一個特定的控制訊號：

經典交握範例：

• 連線第一步（客戶端發起）：Flags: 0x02 [SYN]
• 連線第二步（伺服端回覆）：Flags: 0x12 [SYN, ACK]
• 連線第三步（客戶端確認）：Flags: 0x10 [ACK]

實作架構與核心程式碼

1. TCP Header 結構定義 (include/tcp.h)

#ifndef TCP_H
#define TCP_H

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

#ifndef IPPROTO_TCP
#define IPPROTO_TCP 6
#endif

/* TCP Flags 定義 */
#define TCP_FIN 0x01
#define TCP_SYN 0x02
#define TCP_RST 0x04
#define TCP_PSH 0x08
#define TCP_ACK 0x10
#define TCP_URG 0x20

/* TCP Header 結構 (RFC 793 - 固定最小 20 Bytes) */
struct tcp_hdr
{
    uint16_t src_port;
    uint16_t dst_port;

    uint32_t seq;
    uint32_t ack;

    uint8_t data_offset;
    uint8_t flags;

    uint16_t window;

    uint16_t checksum;

    uint16_t urgent_ptr;
} __attribute__((packed));

void tcp_print_header(const struct tcp_hdr *tcp);
void tcp_receive(int fd, const uint8_t *buffer, size_t len);

#endif /* TCP_H */

2. TCP 接收與格式化解析 (src/tcp.c)

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#include "ethernet.h"
#include "ipv4.h"
#include "tcp.h"

void tcp_print_header(const struct tcp_hdr *tcp)
{
    printf("\nTCP Packet\n");
    printf("----------------------------------------\n");

    printf("Source Port      : %u\n", ntohs(tcp->src_port));
    printf("Destination Port : %u\n", ntohs(tcp->dst_port));

    printf("SEQ              : %u\n", ntohl(tcp->seq));
    printf("ACK              : %u\n", ntohl(tcp->ack));

    printf("Data Offset      : %u (Header Length: %u bytes)\n",
           (tcp->data_offset >> 4),
           (tcp->data_offset >> 4) * 4);

    printf("Flags            : 0x%02x [ %s%s%s%s%s%s]\n",
           tcp->flags,
           (tcp->flags & TCP_SYN) ? "SYN " : "",
           (tcp->flags & TCP_ACK) ? "ACK " : "",
           (tcp->flags & TCP_FIN) ? "FIN " : "",
           (tcp->flags & TCP_RST) ? "RST " : "",
           (tcp->flags & TCP_PSH) ? "PSH " : "",
           (tcp->flags & TCP_URG) ? "URG " : "");

    printf("                   SYN = %d, ACK = %d, FIN = %d, RST = %d\n",
           (tcp->flags & TCP_SYN) ? 1 : 0,
           (tcp->flags & TCP_ACK) ? 1 : 0,
           (tcp->flags & TCP_FIN) ? 1 : 0,
           (tcp->flags & TCP_RST) ? 1 : 0);

    printf("Window           : %u\n", ntohs(tcp->window));
    printf("Checksum         : 0x%04x\n", ntohs(tcp->checksum));
    printf("Urgent Pointer   : %u\n", ntohs(tcp->urgent_ptr));
    printf("----------------------------------------\n");
}

void tcp_receive(int fd, const uint8_t *buffer, size_t len)
{
    (void)fd;

    // 取得 IPv4 標頭以計算動態 IP Header 長度
    struct ipv4_hdr *ip = (struct ipv4_hdr *)(buffer + ETH_HEADER_LEN);
    size_t ip_hdr_len = (ip->version_ihl & 0x0F) * 4;

    // 確保封包長度足夠容納 Ethernet + IPv4 + TCP Header
    if (len < ETH_HEADER_LEN + ip_hdr_len + sizeof(struct tcp_hdr)) {
        printf("[TCP] Packet too short\n");
        return;
    }

    struct tcp_hdr *tcp = (struct tcp_hdr *)(buffer + ETH_HEADER_LEN + ip_hdr_len);
    tcp_print_header(tcp);
}

3. IPv4 分流器掛載 TCP (src/tap.c)

與 ICMP、UDP 完全對齊的整潔架構：

                        // IPv4 Protocol Dispatcher
                        switch (ip->protocol) {
                            case IPPROTO_ICMP:
                                icmp_receive(fd, buffer, n);
                                break;
                            case IPPROTO_UDP:
                                udp_receive(fd, buffer, n);
                                break;
                            case IPPROTO_TCP:
                                tcp_receive(fd, buffer, n);
                                break;
                            default:
                                break;
                        }

4. 專屬測試工具 (test/send_tcp_syn.c)

透過 Linux Raw Socket 注入一包標準的 TCP SYN 封包至 tap0：

• Src Port: 52144
• Dst Port: 80
• SEQ: 1000
• ACK: 0
• Flags: TCP_SYN (0x02)
• Window: 4096

驗收實測結果

終端機 1：Protocol Stack (./network) 輸出

[ACCEPT]
Ethernet Frame
-------------------------
Destination : 02:00:00:00:00:01
Source      : 52:54:00:12:34:56
EtherType   : 0x0800

IPv4 Packet
------------------
Version      : 4
Header Length: 20 bytes
TTL          : 64
Protocol     : 6
Checksum     : 0x62e5 (OK)
Source IP    : 10.0.0.1
Destination IP : 10.0.0.2

[IPv4] Local Delivery (for me)

TCP Packet
----------------------------------------
Source Port      : 52144
Destination Port : 80
SEQ              : 1000
ACK              : 0
Data Offset      : 5 (Header Length: 20 bytes)
Flags            : 0x02 [ SYN ]
                   SYN = 1, ACK = 0, FIN = 0, RST = 0
Window           : 4096
Checksum         : 0x0000
Urgent Pointer   : 0
----------------------------------------
Frame length: 54 bytes

結果分析

1. L2 Ethernet：正確接收 EtherType 0x0800 (IPv4)。
2. L3 IPv4：正確比對 Destination IP 為本機 10.0.0.2，Protocol 6 (TCP)，Checksum 驗證無誤，判定 Local Delivery。
3. L4 TCP：成功由 tcp_receive() 接收並由 tcp_print_header() 完整印出！所有欄位皆精確對應我們在測試工具中設定的數值。

目前完整的 Protocol Stack 全景

                     Ethernet (L2)
                           │
             ┌─────────────┴─────────────┐
             │                           │
          ARP (0x0806)               IPv4 (0x0800)
             │                           │
        ARP Cache Table     ┌────────────┼────────────┐
                            │            │            │
                        ICMP (1)      UDP (17)      TCP (6)  <-- 【Day 16】
                            │            │            │
                       Echo Reply     DNS / App   Header Parser
                                                      ├── Ports
                                                      ├── Sequence (SEQ)
                                                      ├── Acknowledge (ACK)
                                                      ├── Flags (SYN/ACK...)
                                                      └── Window Size

Day 17 預告：TCP Socket Table 與狀態機 (State Machine)

今天我們看懂了 TCP 封包的「骨架」。
明天，我們將賦予 TCP 真正的「靈魂」：

1. 建立 TCP Socket Table：紀錄本機監聽哪些 Port（如 80、8080），以及目前的連線狀態。
2. TCP 狀態機（State Machine）：
   • CLOSED
   • LISTEN
   • SYN_SENT
   • SYN_RECEIVED
   • ESTABLISHED
3. 邁向三向交握（Three-Way Handshake）：當收到 SYN 時，如何變更狀態並準備回覆 SYN + ACK！