计算机网络 IP 详解

一、IP 核心基础

1. 什么是 IP 地址？一句话讲透本质

本质是：给接入互联网的每一台设备（电脑、服务器、手机、路由器）分配的一个「唯一网络身份标识」，也可以理解为网络设备的「门牌号」。

所有网络数据的传输（比如你用 C++ 写的客户端给服务器发消息、浏览器访问网页、两台电脑局域网通信），核心逻辑都是：通过「源 IP」找到「目的 IP」，把数据精准送达。没有 IP 地址，网络中所有设备都是孤立的，无法完成任何通信。

2. IPv4 地址

目前主流使用的是 IPv4 协议（IPv6 是趋势，但实战开发中 IPv4 仍是绝对主流），也是本文的核心讲解对象，小白必须吃透。

• IPv4 地址的底层本质：32 位二进制数 ，比如 11000000.10101000.00000001.00000001
• 为什么我们看到的是 192.168.1.1？为了人类易读，把 32 位二进制拆成4 个 8 位的二进制段 ，每个段转成「0~255」的十进制数，段之间用 . 分隔，这种格式叫做「点分十进制」。

每个段的取值范围是 0~255，超出这个范围的一定是非法 IP（比如 192.168.1.256），C++ 实战中做 IP 校验的核心规则之一。

3. IPv4 地址的分类

32 位的 IPv4 地址，分为「网络位 」和「主机位 」：网络位标识「哪个网段」，主机位标识「该网段下的哪台设备」。根据网络位的长度，IPv4 分为 A、B、C、D、E 五类，只需要掌握核心的 3 类即可，考点 + 重点如下：

• A 类地址：1~126.x.x.x ，网络位占 8 位，主机位 24 位，用于大型网络（比如国家骨干网）
• B 类地址：128~191.x.x.x，网络位占 16 位，主机位 16 位，用于中型企业 / 机构
• C 类地址：192~223.x.x.x，网络位占 24 位，主机位 8 位，最常用（局域网、家庭路由器、公司内网全是这类）
• D 类（224~239）：组播地址，E 类（240~255）：保留地址，只需要知道名称，不用深究。

4. 公有 IP & 私有 IP

• 私有 IP：局域网内部使用的 IP 地址，不能在公网上通信 ，是所有开发者本地调试代码的标配，3 个固定网段：
  • 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
  • 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
  • 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 最常用，你的路由器、本地电脑的 IP 基本都是这个网段
• 公有 IP：互联网上的唯一合法 IP，由运营商分配，比如阿里云服务器的 IP、百度官网的 IP，公网设备之间通信必须用公有 IP。

C++ 写本地客户端 / 服务端程序时，绑定的 IP 都是私有 IP（比如 127.0.0.1 本机回环地址、192.168.1.100）；部署到云服务器后，绑定的是公有 IP。

5. 网关 & 子网掩码

• 子网掩码：配合 IP 地址，划分「网络位」和「主机位」 ，比如常见的 255.255.255.0 对应 C 类地址，意思是前 3 段是网络位，最后 1 段是主机位。
• 网关：局域网的「出口」，比如你的电脑要访问百度，数据先发给网关（路由器 IP，一般是 192.168.1.1），再由网关转发到公网。

二、IP 核心知识点

1. 什么是字节序？

字节序：多字节数据在计算机内存中的存储顺序 ，比如一个 32 位的 IP 整数 0x12345678，占 4 个字节，不同 CPU 的存储方式不同，只有两种：

• 小端序（Little-Endian）：低字节存低地址，高字节存高地址 → 所有 x86/x86_64 架构的 CPU（Intel、AMD）都是小端序，你的电脑、服务器基本都是小端序。
• 大端序（Big-Endian）：高字节存低地址，低字节存高地址 → 也叫「网络字节序」，IP/TCP/UDP 等所有网络协议，统一规定使用大端序传输数据。

2. 为什么 C++ 开发者必须掌握？

核心原因：本地主机是小端序，网络传输是大端序。如果你的 C++ 程序直接把本地的 IP 地址、端口号「原封不动」发给网络，对方收到的会是乱码数据，通信直接失败！

比如：你在本地用 C++ 定义端口号 8080（对应十六进制 0x1F90），小端序存储是 0x90 0x1F，如果不转换直接发，对方收到的是 0x901F 对应端口号 36927，完全错误。

3. C++ 中处理字节序的 4 个核心系统函数

所有 C++ 网络编程，只要涉及 IP / 端口的网络传输，都必须用这 4 个函数做「主机序 ↔ 网络序」的转换，函数在 <arpa/inet.h> 头文件中，Linux/Windows 均兼容，记死 + 吃透：

#include <arpa/inet.h>
// 1. 主机32位整数 → 网络32位整数（用于IP地址转换）
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); 
// 2. 主机16位整数 → 网络16位整数（用于端口号转换，端口是16位）
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
// 3. 网络32位整数 → 主机32位整数（接收IP时转换）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
// 4. 网络16位整数 → 主机16位整数（接收端口时转换）
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

3. 两种形式的区别与使用场景

• 字符串形式：192.168.1.1 → 人类易读，用户输入、日志打印都用这个形式。
• 32 位整数形式：0xC0A80101 → 计算机易处理，C++ 网络编程中所有 IP 的底层运算、传输、存储，都是用 32 位无符号整数，这是核心规则！

所以：C++ 开发中，必须掌握「IP 字符串 ↔ 32 位整数」的双向转换，这是 IP 编程的基础.

4. C++ 中 IP 转换的核心函数

所有函数均在 <arpa/inet.h> 头文件中，Linux/Windows 通用，分为「旧版」和「新版」，全部要会用：

方案 1：旧版函数

#include <arpa/inet.h>
// ① IP字符串 → 32位网络序整数 （核心）
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
// ② 32位网络序整数 → IP字符串 （核心）
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_addr 返回的是「网络序的 32 位整数」，不用再调用 htonl 转换；inet_ntoa 传入的是in_addr结构体（内部就是 32 位网络序 IP），返回的是点分十进制字符串。

方案 2：新版函数

旧版函数有缺陷（比如inet_ntoa是线程不安全的），C++11 之后推荐使用新版函数

#include <arpa/inet.h>
// ① 任意IP格式 → 网络序整数（IPv4填AF_INET，IPv6填AF_INET6）
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
// ② 网络序整数 → 任意IP格式字符串
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

旧版仅支持 IPv4，有线程安全问题；新版兼容 IPv4/IPv6，线程安全，推荐使用。

5. sockaddr_in 结构体

核心地位

在 C++ 的 socket 网络编程中，所有的「IP 地址」+「端口号」的组合，都必须封装到 sockaddr_in 结构体中，没有例外！不管是绑定本地 IP + 端口、连接远程服务器 IP + 端口、接收客户端 IP + 端口，全靠这个结构体。

结构体定义 + 核心成员解析

#include <netinet/in.h>
// IPv4专用的地址结构体
struct sockaddr_in {
    sa_family_t     sin_family;   // 地址族，固定填 AF_INET （标识IPv4）
    uint16_t        sin_port;     // 端口号，必须是 网络序 （要调用htons转换）
    struct in_addr  sin_addr;     // IP地址，内部是32位网络序整数（in_addr_t）
    char            sin_zero[8];  // 填充位，无意义，填0即可
};
// 嵌套的IP地址结构体
struct in_addr {
    in_addr_t       s_addr;       // 核心：32位网络序的IPv4地址整数
};

结构体赋值的标准写法

赋值顺序：填地址族 → 转端口为网络序 → 转 IP 为网络序：

struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr)); // 初始化结构体，所有成员置0
addr.sin_family = AF_INET;      // 固定：IPv4
addr.sin_port = htons(8080);    // 端口号：主机序 → 网络序
// 方式1：直接赋值IP（字符串转网络序整数）
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");
// 方式2：新版函数赋值IP（推荐）
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &addr.sin_addr);

三、IP 相关核心代码

1. IP 字符串 ↔ 32 位整数 互转

#include <iostream>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
using namespace std;

// IP字符串 -> 32位主机序整数
uint32_t ip_str_to_uint(const char* ip) {
    uint32_t net_ip = inet_addr(ip); // 得到网络序整数
    return ntohl(net_ip);            // 转为主机序，方便打印/运算
}

// 32位主机序整数 -> IP字符串
string ip_uint_to_str(uint32_t ip_uint) {
    uint32_t net_ip = htonl(ip_uint); // 转为网络序
    struct in_addr addr;
    addr.s_addr = net_ip;
    return string(inet_ntoa(addr));   // 转为字符串
}

int main() {
    const char* ip = "192.168.1.100";
    // 转换测试
    uint32_t ip_uint = ip_str_to_uint(ip);
    cout << "IP字符串: " << ip << " → 32位整数: " << ip_uint << endl;
    cout << "32位整数: " << ip_uint << " → IP字符串: " << ip_uint_to_str(ip_uint) << endl;
    return 0;
}

编译运行：g++ -o ip_convert ip_convert.cpp && ./ip_convert

运行结果：192.168.1.100 → 3232235876，反向转换一致，验证正确。

2. 校验 IP 地址是否合法

开发中用户输入的 IP 可能是非法的（比如 192.168.1.256、256.0.0.1、192.168.1），必须做合法性校验

#include <iostream>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
using namespace std;

// 方案1：调用系统函数（推荐，简洁高效，实战首选）
bool is_ip_valid(const char* ip) {
    struct sockaddr_in addr;
    return inet_pton(AF_INET, ip, &addr.sin_addr) == 1;
}

// 方案2：手动实现（面试常考，考察基础功底，纯C++逻辑）
bool is_ip_valid_manual(const char* ip) {
    int count = 0; // 统计点的个数，必须是3个
    int num = 0;   // 统计每个段的数值
    for (int i = 0; ip[i] != '\0'; i++) {
        if (ip[i] == '.') {
            count++;
            if (count > 3 || num <0 || num >255) return false;
            num = 0;
        } else if (isdigit(ip[i])) {
            num = num *10 + (ip[i]-'0');
            if (num >255) return false; // 超过255直接非法
        } else {
            return false; // 包含非数字字符
        }
    }
    // 最后一个段校验 + 点的个数必须是3
    return count ==3 && num >=0 && num <=255;
}

int main() {
    const char* ip1 = "192.168.1.1";
    const char* ip2 = "192.168.1.256";
    cout << ip1 << " 合法吗？" << (is_ip_valid(ip1) ? "是" : "否") << endl;
    cout << ip2 << " 合法吗？" << (is_ip_valid(ip2) ? "是" : "否") << endl;
    return 0;
}

3. Socket 绑定 IP + 端口

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main() {
    // 1. 创建TCP socket
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd < 0) { perror("socket error"); return -1; }

    // 2. 初始化sockaddr_in结构体，绑定IP+端口
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;                // IPv4地址族
    server_addr.sin_port = htons(8080);              // 端口：主机序→网络序
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); // 绑定本机所有IP（0.0.0.0的特殊含义）

    // 3. 绑定操作
    if (bind(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) <0) {
        perror("bind error");
        close(fd);
        return -1;
    }

    cout << "成功绑定IP: 0.0.0.0, 端口: 8080" << endl;
    close(fd);
    return 0;
}

0.0.0.0 的含义 ------ 绑定本机所有的网卡 IP，客户端可以通过本机的任意 IP（127.0.0.1、192.168.1.100）访问该服务，这是开发中的标配写法。