昨天（Day 17）我們完成了 TCP Socket Table 與狀態機，能夠在收到 SYN 時動態建立 TCP_SYN_RECEIVED 的連線槽位。但當時伺服器就像是個「已讀不回」的冷漠客服 —— 雖然在內部做好了登記，卻一句話都沒回覆對方。

今天（Day 18），我們正式讓自製的網路協定棧開口說話，邁出 TCP 三向交握中最關鍵的第二步：
由伺服端組裝並發送標準的 SYN + ACK 封包！

今日學習目標與成果

• [x] 理解 SYN、ACK、SYN-ACK 在三向交握中的角色。
• [x] 理解為什麼 SYN 會消耗 1 個 Sequence Number。
• [x] 收到 SYN 後，設定 conn->ack = client_seq + 1。
• [x] 實作 tcp_send_syn_ack()，組出 SYN-ACK 封包。
• [x] 反轉 Ethernet / IPv4 / TCP 的來源與目的欄位。
• [x] 使用 ARP Table 找到 Client MAC，將 SYN-ACK 寫回 TAP。
• [x] 透過 tcpdump 驗證 Flags [S.] 已送出。

核心概念深入剖析

1. 三向交握（Three-Way Handshake）在確認什麼？

為什麼 TCP 不能只交握兩次？一定要三次？
想像兩個人在山頭用無線電對話，在講正事（傳資料）前必須確認通道暢通：

1. Client 呼叫 (SYN, SEQ=1000)：
   「喂喂喂，Server，你聽得到我說話嗎？我講話的序號從 1000 號開始算。」
   Server 知道：Client 能發話、Server 能收聽。

2. Server 回覆 (SYN-ACK, SEQ=5000, ACK=1001)：
   「聽得很清楚！你下次從 1001 開始講。那我發話你聽得到嗎？我講話的序號從 5000 號開始算。」
   Client 收到後知道：Server 能發話、Client 能收聽！而且剛才自己的話 Server 有收到！

3. Client 最後確認 (ACK, ACK=5001)：
   「我也聽得很清楚！你下次從 5001 開始講。」
   Server 收到後知道：原來 Client 也能順利聽到我剛剛說的話！

經過這三步：

• 雙方發送能力與接收能力全數確認正常。
• 雙方的 Sequence Numbers 雙向對齊同步。
• 三步完成後，雙方才正式開始傳遞 Payload Data！

2. 封包標頭欄位反轉設計

從 Server 回覆 SYN-ACK 時，所有「來源」與「目的」必須嚴格反轉：

Checksum 補充：IPv4 Header Checksum 與 TCP Checksum 是兩件事。本文程式碼已重算 IPv4 Header Checksum，但 TCP Header 內的 checksum 仍暫填 0。這是 Day18～Day21 測試環境的教學簡化；真實 TCP 封包必須計算包含 Pseudo Header、TCP Header 與 Payload 的 TCP Checksum，否則一般 OS TCP Stack 可能會丟棄封包。

核心程式碼實作

1. 擴充 Socket 資料結構 (include/tcp.h)

在 struct tcp_socket 中新增 seq 與 ack，用以追蹤雙方的序列號進度：

struct tcp_socket
{
    uint32_t src_ip;
    uint32_t dst_ip;
    uint16_t src_port;
    uint16_t dst_port;
    uint32_t seq;  // Server 自己的序列號
    uint32_t ack;  // 期待收到的對方序列號
    enum tcp_state state;
};

int tcp_send_syn_ack(int fd, struct tcp_socket *conn);

2. 實作 SYN-ACK 封包發送函式 (src/tcp.c)

int tcp_send_syn_ack(int fd, struct tcp_socket *conn)
{
    // 1. 準備 Buffer 與切割各層指標 (14 + 20 + 20 = 54 Bytes)
    uint8_t buffer[ETH_HEADER_LEN + sizeof(struct ipv4_hdr) + sizeof(struct tcp_hdr)];
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

    struct ethernet_hdr *eth = (struct ethernet_hdr *)buffer;
    struct ipv4_hdr *ip = (struct ipv4_hdr *)(buffer + ETH_HEADER_LEN);
    struct tcp_hdr *tcp = (struct tcp_hdr *)(buffer + ETH_HEADER_LEN + sizeof(struct ipv4_hdr));

    // 2. 封裝 Layer 4: TCP Header
    tcp->src_port = htons(conn->dst_port); // 8080
    tcp->dst_port = htons(conn->src_port); // 52144
    tcp->seq = htonl(conn->seq);           // 5000
    tcp->ack = htonl(conn->ack);           // 1001
    tcp->data_offset = (5 << 4);           // 20 Bytes (5 words)
    tcp->window = htons(4096);             // 初始視窗大小
    tcp->flags = (TCP_ACK | TCP_SYN);      // 0x12: SYN + ACK
    tcp->checksum = 0;                     // 暫設為 0
    tcp->urgent_ptr = 0;

    // 3. 封裝 Layer 3: IPv4 Header
    ip->version_ihl = (4 << 4) | 5;        // Version 4, IHL 5
    ip->tos = 0;
    ip->total_length = htons(sizeof(struct ipv4_hdr) + sizeof(struct tcp_hdr)); // 40 Bytes
    ip->identification = htons(2001);
    ip->flags_fragment = 0;
    ip->ttl = 64;
    ip->protocol = IPPROTO_TCP;            // Protocol 6
    ip->src_ip = conn->dst_ip;             // 來源：10.0.0.2
    ip->dst_ip = conn->src_ip;             // 目的：10.0.0.1
    ip->checksum = 0;
    ip->checksum = ipv4_checksum(ip, sizeof(struct ipv4_hdr));

    // 4. 封裝 Layer 2: Ethernet Header
    struct arp_entry *entry = arp_table_lookup((const uint8_t *)&conn->src_ip);
    if (!entry || !entry->valid) {
        printf("[TCP] Send SYN-ACK failed: MAC not in ARP table\n");
        return -1;
    }
    memcpy(eth->dst, entry->mac, ETH_ADDR_LEN); // Client MAC
    memcpy(eth->src, LOCAL_MAC, ETH_ADDR_LEN);  // 本機 MAC
    eth->ethertype = htons(ETHERTYPE_IPV4);

    // 5. 寫出到 TAP 虛擬網卡
    ssize_t sent = write(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (sent < 0) {
        perror("[TCP] write SYN-ACK failed");
        return -1;
    }

    printf("[TCP] Sent SYN-ACK: SEQ=%u, ACK=%u\n", conn->seq, conn->ack);
    return 0;
}

3. 接收分流器整合 ARP 學習與觸發發送 (tcp_receive)

void tcp_receive(int fd, const uint8_t *buffer, size_t len)
{
    struct ipv4_hdr *ip = (struct ipv4_hdr *)(buffer + ETH_HEADER_LEN);
    size_t ip_hdr_len = (ip->version_ihl & 0x0F) * 4;

    if (len < ETH_HEADER_LEN + ip_hdr_len + sizeof(struct tcp_hdr)) {
        printf("[TCP] Packet too short\n");
        return;
    }

    // ⭐ 動態 ARP 學習：收到封包時立刻記下 Client 的 IP 與 MAC
    struct ethernet_hdr *rx_eth = (struct ethernet_hdr *)buffer;
    arp_table_insert((const uint8_t *)&ip->src_ip, rx_eth->src);

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

    if (tcp->flags & TCP_SYN) {
        uint16_t dst_port = ntohs(tcp->dst_port);
        uint16_t src_port = ntohs(tcp->src_port);

        struct tcp_socket *listener = tcp_find_listener(dst_port);
        if (listener == NULL) {
            printf("[TCP] Port %u not listening -> DROP\n", dst_port);
            return;
        }

        printf("[TCP] Incoming SYN on Port %u\n", dst_port);
        struct tcp_socket *conn = tcp_create_connection(ip->src_ip, ip->dst_ip, src_port, dst_port);
        if (conn == NULL) {
            printf("[TCP] Connection table full!\n");
            return;
        }

        // 計算雙方序號
        uint32_t client_seq = ntohl(tcp->seq);
        conn->ack = client_seq + 1; // 消耗 1 個序號
        conn->seq = 5000;           // 本機初始序號

        tcp_dump_table();

        // 觸發回覆 SYN-ACK！
        tcp_send_syn_ack(fd, conn);

        return;
    }
}

驗收實測結果

終端機 1：協定棧輸出 (./network)

[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 : 8080
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
----------------------------------------
[TCP] Incoming SYN on Port 8080

=== TCP SOCKET TABLE ===
[00] State: LISTEN       | Local Port: 8080 (*:* -> :8080)
[01] State: SYN_RECEIVED | 10.0.0.1:52144 -> 10.0.0.2:8080
========================

[TCP] Sent SYN-ACK: SEQ=5000, ACK=1001
Frame length: 54 bytes

終端機 2：tcpdump 真實網路封包抓包

user@MSI:/mnt/c/Users/zenboen/Tutorial/Networking_Fundamentals$ sudo tcpdump -i tap0 -nn tcp
listening on tap0, link-type EN10MB (Ethernet), snapshot length 262144 bytes

16:50:48.558938 IP 10.0.0.1.52144 > 10.0.0.2.8080: Flags [S], seq 1000, win 4096, length 0
16:50:48.559301 IP 10.0.0.2.8080 > 10.0.0.1.52144: Flags [S.], seq 5000, ack 1001, win 4096, length 0

結果分析

1. 第 1 包（Client $\rightarrow$ Server）：
   • Flags [S] 代表 SYN 旗標。
   • seq 1000，長度為 0。
2. 第 2 包（Server $\rightarrow$ Client）—— 我們的協定棧產物！：
   • Flags [S.] 代表 SYN + ACK 雙旗標！
   • seq 5000 精準對應我們設定的 ISN。
   • ack 1001 精準確認了 Client 的第 1000 號連線契約！

目前完整的 Protocol Stack 全景

                     Ethernet (L2)
                           │
             ┌─────────────┴─────────────┐
             │                           │
          ARP (0x0806)               IPv4 (0x0800)
             │                           │
        ARP Cache Table     ┌────────────┼────────────┐
             ▲              │            │            │
             │          ICMP (1)      UDP (17)      TCP (6)
      (動態學習對方的 MAC)  │            │            │
                       Echo Reply     DNS / App   Header Parser
                                                      ↓
                                              Socket Table Lookup
                                                      ↓
                                             TCP State Machine
                                          ┌───────────┴───────────┐
                                          │                       │
                                        LISTEN              SYN_RECEIVED
                                      (服務接待處)                 │
                                                                  ▼
                                                          tcp_send_syn_ack()  <-- 【Day 18】
                                                          (回覆 Flags: [S.])

Day 19 預告：完成三向交握 — 迎來 ESTABLISHED 狀態！

今天我們完成了「SYN $\rightarrow$ SYN-ACK」這前兩步。
明天，我們將收下三向交握的最後一塊拼圖：

Client                     Server

SYN ----------------------> (State: SYN_RECEIVED)

     <---------------- SYN-ACK

ACK ----------------------> (State: ESTABLISHED 🎉)

1. 處理交握最後的 ACK 封包：
   • 尋找處於 SYN_RECEIVED 狀態的連線 Socket。
   • 驗證 Client 的 ACK 號碼是否正確確認了我們的 seq + 1（5001）。
2. 連線狀態正式轉移為 TCP_ESTABLISHED！
3. 你的協定棧將第一次建立起一條具備最小化三向交握狀態轉換能力的 TCP 連線，為後續傳輸 HTTP 資料鋪平道路！