Day 19：TCP Three-Way Handshake (Part 2) — 收到 ACK，進入 ESTABLISHED

18th鐵人賽

momoba

2026-09-29 15:49:47

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在 Day 18 中，我們的網路協定棧已經能夠成功回覆 SYN-ACK，雙方建立了連線記錄並停留在 TCP_SYN_RECEIVED。

今天（Day 19），我們完成 TCP 連線建立中最關鍵、也是最後的一哩路：
收到客戶端回傳的純 ACK 封包，驗證序號，正式將狀態推進至 TCP_ESTABLISHED！

Day19 ACK 到 ESTABLISHED 狀態轉移流程圖

這代表我們的 TCP 協定棧不再只是「聽得見」和「說得出」，而是正式具備了最小化三向交握狀態轉換能力，這是自製 TCP/IP 協定棧中非常重要的里程碑！

今日學習目標與成果

[x] 實作 tcp_find_connection()，用 4-Tuple 找到既有連線。
[x] 辨識三向交握最後一包純 ACK。
[x] 驗證 Client ACK 是否等於 server_seq + 1。
[x] 將連線狀態從 TCP_SYN_RECEIVED 轉為 TCP_ESTABLISHED。
[x] 推進 Server SEQ，為後續資料傳輸做準備。
[x] 實作 tcp_accept() 雛形，取得已建立連線。
[x] 使用 send_tcp_handshake 完成自動化三向交握測試。

核心概念深入剖析

1. 為什麼連線查找器必須比對「四元組（4-tuple）」？

在伺服器上，可能會同時有數以萬計的連線正在運作。TCP 是如何將收到的封包精準派送給對應的連線呢？

答案就是 4-tuple：
來源 IP, 目的 IP, 來源 Port, 目的 Port

在全世界的網際網路中，這四個欄位的組合對於一條 TCP 連線來說是絕對唯一的。

為什麼不能只找 `state == TCP_SYN_RECEIVED`？

若將 tcp_find_connection() 限制死在 SYN_RECEIVED：

握手最後一步收到 ACK 時確實找得到。
但一旦連線進入 ESTABLISHED，隨後客戶端傳送資料（HTTP 請求）或關閉連線（FIN）時，封包再次進來，查找器就會回傳 NULL，導致封包被無辜丟棄！
因此：tcp_find_connection() 只負責「認人（4-tuple）」，狀態是否正確則交由各處理階段（如 tcp_receive()）來驗證。

2. 為什麼 Client 回傳的 ACK 必須是 5001？

在昨天的交握中，伺服器送出：

SEQ = 5000
Flags = SYN | ACK

雖然此封包沒有包含任何應用層 Data（Payload 長度為 0），但在 TCP 規範（RFC 793）中：

SYN 與 FIN 控制旗標各自在邏輯上消耗 1 個 Sequence Number。

因此，客戶端收到 SEQ = 5000 的 SYN 後，必須回傳 ACK = 5001。
這代表客戶端向伺服器宣告：

「我已經完整收下了你的 SYN（序號 5000），接下來請你從 5001 號開始發送資料給我！」

3. 為什麼不能只交握兩次？

如果只有兩次交握（Client 發 SYN，Server 回 SYN-ACK 即建立）：

假想情境：Client 發送的第一個 SYN 在網路節點中塞車延遲了，Client 超時後重新發了第二個 SYN 並完成通訊後斷線。
很久之後，那個塞車的舊 SYN 終於抵達 Server。
如果只要兩次交握，Server 收到這個舊 SYN 就立刻單方面建立連線並分配資源等待 Client。
但 Client 根本沒有要連線，不會理會 Server 的回覆，這條連線就會變成半死連線（Half-Open Connection），造成伺服器資源浪費。

有了第三次 ACK：

Server 必須等到 Client 的最終確認才會將連線標記為 ESTABLISHED。
若是舊的過期 SYN，Client 收到 Server 的 SYN-ACK 後會立刻發現異常並發送 RST 終止連線，有效防止歷史連線造成的混亂與資源耗盡。

核心程式碼實作

1. 介面擴充 (`include/tcp.h`)

新增四元組查找函式與連線受理函式宣告：

/* 連線查找與管理 */
struct tcp_socket* tcp_find_connection(uint32_t src_ip, uint32_t dst_ip, uint16_t src_port, uint16_t dst_port);
struct tcp_socket* tcp_accept(void);

2. 四元組查找與 `tcp_accept()` 實作 (`src/tcp.c`)

struct tcp_socket* tcp_find_connection(uint32_t src_ip, uint32_t dst_ip, uint16_t src_port, uint16_t dst_port)
{
    for (int i = 0; i < MAX_TCP_SOCKETS; i++) {
        // 排除未使用的槽位(CLOSED)與正在迎賓的門口(LISTEN)
        if (tcp_table[i].state != TCP_CLOSED && tcp_table[i].state != TCP_LISTEN) {
            if (tcp_table[i].src_ip == src_ip &&
                tcp_table[i].dst_ip == dst_ip &&
                tcp_table[i].src_port == src_port &&
                tcp_table[i].dst_port == dst_port) {
                return &tcp_table[i];
            }
        }
    }
    return NULL;
}

struct tcp_socket* tcp_accept(void)
{
    for (int i = 0; i < MAX_TCP_SOCKETS; i++) {
        if (tcp_table[i].state == TCP_ESTABLISHED) {
            return &tcp_table[i];
        }
    }
    return NULL;
}

3. ACK 處理與狀態推進 (`src/tcp.c`)

在 tcp_receive() 中新增處理邏輯：

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

        // 1. 透過四元組尋找連線
        struct tcp_socket *conn = tcp_find_connection(ip->src_ip, ip->dst_ip, src_port, dst_port);
        if (conn == NULL) {
            printf("[TCP] No matching connection for ACK -> DROP\n");
            return;
        }

        // 2. 檢查狀態是否為 SYN_RECEIVED
        if (conn->state == TCP_SYN_RECEIVED) {
            uint32_t ack_num = ntohl(tcp->ack);
            uint32_t expected_ack = conn->seq + 1; // 5000 + 1 = 5001

            // 3. 驗證對方的 ACK 號碼
            if (ack_num != expected_ack) {
                printf("[TCP] Invalid ACK number: %u (expected %u) -> DROP\n", ack_num, expected_ack);
                return;
            }

            // 4. 三向交握圓滿成功！切換狀態
            conn->state = TCP_ESTABLISHED;
            conn->seq++; // 消耗 SYN 序號，推進至 5001

            printf("\n========================================\n");
            printf("[TCP] ACK Received! Handshake Complete!\n");
            printf("[TCP] Connection Established: State -> ESTABLISHED\n");
            printf("========================================\n\n");

            tcp_dump_table();
            return;
        }
    }

實測驗收結果

終端機執行測試：

在終端機 A 執行協定棧：

sudo ./network

在終端機 B 執行自動交握測試工具：

sudo ./send_tcp_handshake

伺服器輸出日誌：

[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

[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     : 0x62e4 (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              : 1001
ACK              : 5001
Data Offset      : 5 (Header Length: 20 bytes)
Flags            : 0x10 [ ACK ]
                   SYN = 0, ACK = 1, FIN = 0, RST = 0
Window           : 4096
Checksum         : 0x0000
Urgent Pointer   : 0
----------------------------------------

========================================
[TCP] ACK Received! Handshake Complete!
[TCP] Connection Established: State -> ESTABLISHED
========================================

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

Frame length: 54 bytes

連線表正式由 SYN_RECEIVED 邁入 ESTABLISHED，三向交握完美成功！