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Monday 1 October 2018

网络编程--IP 地址

我们在进行网络编程时，绝大部分情况都会涉及到 IP 协议，因此了解一下 IP 协议是很有必要的。不过由于 IP 协议本身不算简单，而我们更多的是使用 TCP/UDP 等上层协议进行网络编程，因此要必要了解一下 IP 地址。

IP 地址的组织形式

IP 地址的表示

IP 地址实际上是 32 bit 的数字（也就是4字节），不过由于二进制的可读性太差，所以计算机网络沿用了信息技术中的表示法，将 IP 地址按 8 bit 分成4组，每组用一个十进制数字来表示，数字之间用点做分隔，也就是所谓的点分十进制。
dotted-decimal notation
比如，从上图可以看出 IP 地址 172.16.254.1 对应于二进制 10101100 00010000 11111110 00000001。
因为计算机只能识别二进制，所以编程时需要将点分十进制转换成计算机可识别的二进制，这也就是为什么 Linux/Unix 需要 inet_aton inet_addr inet_ntoa 这三个函数进行 IP 地址的转换。

五类 IP 地址

虽说 IP 地址实际上是二进制数字，但它并不是像 0.0.0.0、0.0.0.1、0.0.0.2 ... 这样构造的，而是被划分为 ABCDE 五类。那么为什么要划分呢？主要是为了分配、识别和管理的方便1。比如：你看到 3.xxx.xxx.xxx 马上就能知道，这是 A 类地址，拥有这个地址的肯定是个大型机构（类似 省.市.区.家）。
five classes of IP
类别范围说明
A 类0.0.0.0 - 127.255.255.255用于规模非常大的网络，比如国家或者大公司
B 类128.0.0.0 - 191.255.255.255用于中等规模的网络，比如学校
C 类192.0.0.0 - 223.255.255.255通常用于小企业
D 类224.0.0.0 - 239.255.255.255用于多播
E 类240.0.0.0 - 255.255.255.255实验用2
根据接收端的数量，IP 地址又可以分成三种：unicast（特定主机）、broadcast（所有局域网中的主机）或multicast（一组主机）。

网段与子网掩码

因为广播和路由3的存在，需要将 IP 地址划分成不同的网段（试想全地球的人都呆在一个大房子里面会是多么不方便？），例如：ABC 类中的网络 ID 就指明了 IP 所在的网段。有时候为了联机玩魔兽方便的处理多个主机，我们需要将它们放到一个网段下，而且希望能够与其他主机隔离，这时候就可以通过设置子网掩码将固定网段进一步划分。
比如：C 类地址 192.168.137.1，子网掩码 255.255.255.240 就表示它位于 192.168.137.0 - 192.168.137.15 网段内，也就是同一个局域网下。
子网掩码长得很像 IP 地址，它实际上也是二进制数字，例如：255.255.255.240 对应 11111111 11111111 11111111 11110000。计算机最擅长做的是什么？二进制的运算。所以判断 IP 地址是不是位于某个网段是通过将 IP 地址与子网掩码做逻辑与来判断的。4
subnet calculattion
子网掩码可以是任意的 32 bits 数字，但是实际中无一例外是以全1开头全0结束。
相比使用 IP 地址和子网掩码表示网段，CIDR（Classless Inter-Domain Routing）表示法更为方便，可读性也更高。前面的例子用 CIDR 表示为 192.168.137.0/28。CIDR 表示法由三部分组成：IP 地址、斜杠、掩码前缀1的个数。网段的计算方法和子网掩码方式等价，除了斜杠后的数字表示子网掩码1开头的位数以外，并无区别。看下面这个例子就明白了。
192.168.100.0/22
11000000 10101000 01100100 00000000
11111111 11111111 11111100 00000000
192.168.100.0 - 192.168.103.255

特殊的 IP 地址

有些特殊的 IP 地址5我们在编程时经常遇到，这里列个表总结一下。
CIDR地址块说明
0.0.0.06本机的所有 IP 地址
127.0.0.0/8环回地址
10.0.0.0/8局域网
172.16.0.0/12局域网
192.168.0.0/16局域网
224.0.0.1子网所有设备
255.255.255.255广播地址
子网最后一个地址广播地址
子网的第一个地址网络识别码，代表整个子网，不能被分配

本机 IP

127.0.0.1

假设你需要写一个服务器。我们知道，监听套接字的时候得绑定一个 IP 地址，要不然客户端就不知道跟谁通信了。假设你在宿舍调试到一半要去上课，于是抱着电脑跑到教学楼，连上 WiFi，查看获取到的 IP ，再更改代码或者配置里面的 IP 地址，然后继续调试，下课回到寝室又得重复这个步骤...
环回地址解决了这个问题。它表示本机地址，发往环回地址的报文都不会出现在网络中（主机之外），而是被直接送到入口队列中（如果抓包不到，可能是这个原因）。所以 127.0.0.1 经常被用于调试或本机进程间通信。

0.0.0.0

回到前面那个例子，虽然将套接字绑定在 127.0.0.1 上能避免更换网络环境时改 IP 的麻烦，但是其他机器就访问不了服务器了。为了既能避免改 IP 的麻烦，又能让其他机器连接上来，我们可以将套接字绑定在 0.0.0.0 上。
0.0.0.0 代表了本机上所有的 IP 地址，什么意思呢？当你输入 ifconfig 命令的时候，你会看到一堆的 IP，包括：每个网卡的 IP、虚拟机的 IP、环回接口的 IP...而 0.0.0.0 就像黑洞，吞下了所有发往这些 IP 的数据。你从局域网访问服务器，它就是局域网的 IP，从本机访问它就是 127.0.0.1...

局域网地址

10.0.0.0 - 10.255.255.255、172.16.0.0 - 172.31.255.255、192.168.0.0 - 192.168.255.255 表示局域网 IP。位于局域网中的主机不能直接与公共网络通信，这些 IP 地址在局域网外也不能路由。但通过 NAT 可以做到前者。
如果你的服务器别人访问不了，检查一下 IP 地址是不是位于局域网中（也有可能是被网络管理员限制了）。

广播地址

如果你不知道什么是广播，分别 ping 一下 224.0.0.1、255.255.255.255、子网最后一个 IP 看看会发生什么。

参考文献

因为每个主机都有唯一的 IP，所以必须由一个组织—— Internet Network Information Center，来集中管理、分配。戳这里了解具体的分配情况.
IPv4 出现地址耗尽危机后有人提议使用 E 类地址，但是由于有些操作系统和路由器不支持 E 类地址，所以这部分地址并不能在实际中使用。
因为路由器需要使用路由表保存所在网段的路由信息，而路由器的硬件资源有限只能保存部分路由信息，如果网段主机太多会导致路由表更新频繁，从而致使网络质量下降，所以需要划分网段。
这里有些习题帮你巩固子网掩码的概念。
Wiki 上有更完整的特殊 IP 地址的列表。
全零网络的详情见 Wiki 和 hnrainll的博客。
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