IP地址及编址方式
IP地址基础概念
IP地址的本质
- 定义：用于唯一标识互联网上设备的逻辑地址
- 结构：采用两级结构（网络号 + 主机号）
- 唯一性：在整个互联网范围内是唯一的
- 表示方法：点分十进制记法（如：192.168.1.1）
IP地址的表示
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二进制: 11000000 10101000 00000001 00000001
十六进制: 0xC0 0xA8 0x01 0x01
十进制: 192.168.1.1分类IP地址
IP地址分类结构
- 任意一个IP地址都可以迅速的得出类别，并计算得出网络号
- 当一个主机通过两个网卡同时连接到两网络时，也就是该主机同时拥有两个IP地址，该主机被称为多归属主机
- 一个路由器至少连接到两个不同的网络，一个路由器至少拥有两个IP地址
各类地址的指派范围
| 类别 | 网络号范围 | 可指派网络数 | 每个网络主机数 |
|---|---|---|---|
| A类 | 1-126 | 126 | 2²⁴-2 = 16,777,214 |
| B类 | 128.0-191.255 | 16,384 | 2¹⁶-2 = 65,534 |
| C类 | 192.0.0-223.255.255 | 2,097,152 | 2⁸-2 = 254 |
特殊地址
| 地址类型 | 示例 | 用途 |
|---|---|---|
| 本机地址 | 0.0.0.0 | 绑定到所有接口 |
| 环回地址 | 127.0.0.1 | 本地环回测试 |
| 广播地址 | 255.255.255.255 | 受限广播 |
| 网络地址 | 192.168.1.0 | 代表整个网络 |
| 全1主机号 | 192.168.1.255 | 定向广播 |
注意：全0和全1主机号不能分配给主机
分类的 IP 地址的优缺点
优点
管理简单；使用方便；转发分组迅速；划分子网，灵活地使用
缺点
设计上不合理：大地址块，浪费地址资源；即使采用划分子网的方法，也无法解决 IP 地址枯竭的问题
CIDR（无分类编址）-- 现代标准
划分子网
- 一个拥有1000台主机的组织，需要申请一个B类地址，这就会导致超过64000个地址不能被其他组织使用
- 随着加入互联网的组织数量的迅速增加，IP地址面临被分配完的危险
- 为了解决上述问题，IETF提出了划分子网的编址改进方案
- 三级IP地址：网络号、子网号和主机号
无分类地址CIDR
- 消除分类：不再有A/B/C类划分
- 灵活前缀：网络前缀位数n可在0-32间任意取值
- 表示方法：斜线记法（CIDR记法）
网络前缀
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192.168.1.100/24 # 前24位是网络前缀
10.0.0.1/8 # 前8位是网络前缀地址块
- CIDR 把网络前缀都相同的所有连续的 IP 地址组成一个 CIDR 地址块
- 一个 CIDR 地址块包含的 IP 地址数目，取决于网络前缀的位数
| 128.14.35.7/20 | 是 IP 地址，同时指明了网络前缀为 20 位 该地址是 128.14.32.0/20 地址块中的一个地址 |
|---|---|
| 128.14.32.0/20 | 是包含有多个 IP 地址的地址块，同时也是这个地址块中主机号为全 0 的 IP 地址 |
| 128.14.35.7 | 是 IP 地址，但未指明网络前缀长度，不知道其网络地址 |
| 128.14.32.0 | 不能指明一个网络地址，因为无法知道网络前缀是多少 |
地址掩码（子网掩码）
- 作用：从IP地址中快速提取网络地址
- 格式：一连串1（网络前缀）+ 一连串0（主机号）
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IP地址: 192.168.1.100/24
二进制: 11000000.10101000.00000001.01100100
掩码: 11111111.11111111.11111111.00000000 (255.255.255.0)
网络地址 = IP地址 AND 掩码 = 192.168.1.0- 网络地址计算API
- IP地址与地址掩码逐位进行AND运算
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// 计算网络地址的伪代码
uint32_t calculate_network_address(uint32_t ip_addr, uint32_t netmask) {
return ip_addr & netmask;
}
// 192.168.1.100 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0- 默认地址掩码：
IPv6地址简介
IPv6特点
- 地址长度：128位，地址空间巨大（3.4×10³⁸）
- 表示方法：冒号十六进制记法
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2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334简写规则
- 前导零省略：0000 → 0，0200 → 200
- 零压缩：连续多个0块可用::代替（只能使用一次）
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2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
→ 2001:db8::1428:57ab特殊IPv6地址
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const char* loopback = "::1"; // 环回地址
const char* unspecified = "::"; // 未指定地址
const char* multicast_prefix = "ff00::/8"; // 多播地址端口号
基本概念
为什么需要端口号
- 进程标识：IP地址标识主机，端口号标识主机内的进程
- 多路复用：多个应用进程共享同一IP地址
- 动态性：进程的创建和撤销是动态的
特性
- 长度：16位（0-65535）
- 本地意义：只在当前主机内有意义
- 唯一标识：<IP地址, 端口号, 协议> 三元组唯一标识一个通信端点
端口号分类
IANA标准分类
| 类型 | 范围 | 权限 | 用途 | 示例 |
|---|---|---|---|---|
| 熟知端口 | 0-1023 | 系统/root | 标准服务 | HTTP(80), HTTPS(443) |
| 登记端口 | 1024-49151 | 用户/系统 | 注册服务 | MySQL(3306), Redis(6379) |
| 短暂端口 | 49152-65535 | 用户 | 客户端临时端口 | 客户端连接时动态分配 |
常见端口号
基础网络服务
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// 常用端口定义（编程时可作为常量）
#define PORT_FTP 21 // 文件传输协议
#define PORT_SSH 22 // 安全Shell
#define PORT_TELNET 23 // 远程登录
#define PORT_SMTP 25 // 简单邮件传输
#define PORT_DNS 53 // 域名系统
#define PORT_HTTP 80 // 超文本传输
#define PORT_POP3 110 // 邮局协议
#define PORT_HTTPS 443 // 安全HTTP
#define PORT_MQTT 1883 // MQTT协议（物联网常用）
#define PORT_MQTTS 8883 // 安全MQTTLinux系统视角（BSD端口分类）
- 0不使用，1-1023为系统端口，也叫BSD保留端口
- 0-1023： BSD保留端口，也叫系统端口，这些端口只有系统特许的进程才能使用
- 1024~65535为用户端口，其中：
- 1024-5000： BSD临时端口，一般的应用程序使用1024到4999来进行通讯；
- 5001-65535：BSD服务器(非特权)端口，用来给用户自定义端口
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# 查看系统端口范围配置
cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
# 通常输出：32768 61000
# 常用分类（Linux实际使用）：
# 0-1023： 特权端口（需要root权限绑定）
# 1024-49151： 用户端口
# 32768-61000：临时端口（客户端常用）