# TCP - Connection Establishment & Termination

[TOC]

## 課程影片

### How TCP Works - The Handshake

{%youtube HCHFX5O1IaQ %}

### How TCP Works - FINs vs Resets

{%youtube -vgk9P-6dPY %}

### 第 8E 講 TCP 與網路阻塞偵測與控制技術 L08 5

{%youtube 6nAC8obhsqc %}

## 發起連線前：Client 初始化 `seq` 與 `window`

*TCP* 是連線導向的傳輸協定，所以在傳輸資料之前，要先建立連線。為了方便，以下稱呼發起連線的一方為 *client*，而另外一方則稱其為 *server*。

因為 *TCP* 使用 *sliding window* 進行可靠傳輸，所以使用 *sliding window* 演算法所需要的第一個 *sequence number* (這邊的 `seq`) 要先決定好。除此之外，*TCP* 封包中的 `window`，也就是「允許發送方發送能傳送多少資料」的額度，也應一併決定好，以利 *flow control*。

## 連線建立：三方交握


前述都準備好之後，就準備開始建立連線。建立連線時，使用一系列稱為「三方交握」(*three-way hand shake*)的步驟。這個步驟細分為以下三步：

### Step 1：Client 發出 SYN 封包

首先，*Client* 會發送一個特殊的 SYN 封包給 *Server*。這是一個沒有資料，但其中的「`syn` 欄位被設為 `1`」的封包。除此之外，因為兩者藉由 *TCP* 傳輸時，使用的是*sliding window*，所以也要在這個封包中的 `seq` 欄位中，指定好「初始的 *sequence number*」。

### Step 2：Server 回應 SYN/ACK 封包確認

如果 *Server* 有收到這個 SYM 封包，確定要建立連線並且設置好 *buffer* 之後，必須回覆給 *Client* 一個「`syn` 與 `ack` 都設為 `1`」的封包，這個封包稱為 SYN/ACK 封包。

這個 SYN/ACK 封包中，除了前述 2 個位元被設為 `1` 之外，他的 `ack_seq` 與 `seq` 也要設定：

1. `ack_seq`：因為使用 *sliding window* 時，ACK 必須回報「在哪個 *sequence number* 以前的封包都收到了」，所以這個 `ack_seq` 欄為要設定為剛剛 SYN 封包上的 `seq` 欄位加 1。

2. 因為 *Server* 也可能向 *Client* 傳輸資料，而這個傳輸過程也要使用 *sliding window*。所以這個 SYN/ACK 封包中的 `seq`，還要包含 *Server* 自己使用 *sliding window* 演算法時，所需要的那個初始化 *sequence number*

### Step 3：Client 回應 ACK 封包

當 *Client* 收到 SYN/ACK 封包之後，接著往 *Server* 傳輸一個 ACK。這時這個封包中就可以包含要傳輸的資料了。

### 一些註解

在這個演算法中，從 *Server* 與 *Client* 都各自經歷了「送一個 SYN 與回收一個 ACK」。而彼此 `seq` 與 `ack_seq` 的關係可以用以下的動畫展示：


## 結束連線

結束連線的請求可以由 *Client* 提出，也可以由 *Server* 提出。以下假定是 *Client* 發起結束連線的請求。


### Step 1：Client 送出 FIN 封包

首先，由希望結束連線的一方送出（這邊是 *Client*） FIN 封包。這個封包是一個 `fin` 欄位被設定的封包。

### Step 2：Server 回覆 ACK

如果 *Server* 有收到這過 SYN 封包，那麼就要回覆一個 ACK。並且準備開始結束連線。

### Step 3：Server 送出 FIN 封包

因為 *TCP* 的溝通是雙向的，所以要終止連線，除了 *Client* 要跟 *Server* 發出終止連線的請求之外，*Server* 也要跟 *Client* 發出終止連線的請求。因此也要向 *Client* 發送一個 FIN 封包。

在發送 FIN 封包之後，*Server* 進入一個 *Closing* 狀態。這是一個「準備結束」，但是還沒有結束的狀態。要一直等到 *Client* 回了 ACK，整個連線對 *Server* 來說才是結束（也就是進入 *Close* 狀態）。

### Step 4：Client 回覆 ACK

*Client* 在收到 FIN 封包之後，回覆 ACK。並且自己也進入 *Closing* 狀態。

### Step 5：Client 等待一段時間

在 *Client* 進入 *Closing* 狀態之後，還必須等待一段時間，才能結束。因為這時可能還有封包在路上，所以要等待一段時間讓他們送達。這段時間通常是 30 秒。

## 連線狀態圖

如果把連線建立的狀態化成狀態圖的話，彼此的關係如下[^state]：


> 按：課程影片中所泛稱的 *Closing* 狀態，應係圖中的 `FIN_WAIT2` 與 `LAST_ACK`，而非圖中的 `CLOSING`。

[^state]: 維基百科 (https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Tcp_state_diagram_fixed_new.svg)

## Wireshark Tips

### Inside the TCP Handshake (Sharkfest 2013)

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