TCP handshake: состояния и sequence numbers

Overview

TCP connection начинается не с передачи application message, а с синхронизации двух sequence spaces. Client active open переводит endpoint из CLOSED в SYN-SENT и отправляет SYN с initial sequence number x. Server в LISTEN создаёт состояние для попытки, отвечает SYN+ACK со своим y и переходит в SYN-RECEIVED. Финальный ACK подтверждает y+1, после чего server переходит в ESTABLISHED.

SYN занимает один sequence number; обычный ACK без data sequence space не занимает. 3-way handshake нужен не как декоративная задержка, а чтобы обе стороны подтвердили свежие initial sequence numbers и снизили риск принять старый duplicate connection attempt.

Components

• CLOSED — условное состояние отсутствия transmission control block для connection.
• SYN-SENT — client отправил active open и ждёт matching response.
• LISTEN — server ждёт connection request на local address/port.
• SYN-RECEIVED — endpoint получил и отправил SYN, но ещё ждёт подтверждение.
• ESTABLISHED — sequence spaces синхронизированы; received data может быть передано application.
• SYN / SYN+ACK / ACK — три сообщения обычного handshake; SYN flags потребляют sequence number, pure ACK — нет.
• RST — активное отрицательное свидетельство, которое отличается от packet loss и silence.

Scenarios

1. Успешный 3-way handshake. Client и server выбирают initial sequence numbers и взаимно подтверждают их тремя segments.
2. Потерян SYN+ACK. TCP остаётся в промежуточном состоянии и использует retransmission timers; application видит задержку, а не мгновенный success.
3. Закрытый port и RST. Remote endpoint активно отказывает, client получает connection refused и закрывает incomplete state.

Failure modes

• Рисовать handshake как SYN → SYN+ACK без финального ACK и объявлять обе стороны ESTABLISHED.
• Считать initial sequence number равным номеру application message; TCP нумерует bytes в собственном sequence space.
• Считать потерянный SYN+ACK успешным half-connection, доступным приложению.
• Путать RST с timeout: первое является полученным управляющим segment, второе — отсутствием ожидаемого evidence до истечения timer.
• Объяснять handshake только как «проверку доступности server», игнорируя синхронизацию sequence numbers и защиту от старых duplicates.

References

• RFC 9293, section 3.3.2: State Machine Overview
• RFC 9293, section 3.5: Establishing a Connection
• Microsoft Learn: Connecting to a Socket
• Microsoft Learn: listen function