芯耀
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本篇介紹IP地址與子網(wǎng)劃分的一些基礎(chǔ)知識，在嵌入式開發(fā)，使用網(wǎng)絡(luò)功能時，需要了解網(wǎng)絡(luò)的一些基礎(chǔ)知識。
1 IP地址
1.1 IPv4與IPv6
| 對比信息 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 長度 | 32位 | 128位 |
| 地址表示形式 | 點分十進(jìn)制 | 冒分十六進(jìn)制 |
| 表示示例 | 192.168.5.100 | 2002:0000:0000:0000:0000:0000:c0a8:0564 |
1.2 IPv4地址詳解
IPv4地址分4段，每段8位，共32位二進(jìn)制數(shù)組成。
1.2.1 地址分類
這32位又被分為網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號兩部分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號占用位數(shù)的不同，又可分為以下幾類：
- A類地址：網(wǎng)絡(luò)號占8位B類地址：網(wǎng)絡(luò)號占16位C類地址：網(wǎng)絡(luò)號占24位
對于十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，可用利用如下對照表方便手動換算：
1.2.2 IPv4數(shù)據(jù)報
IPv4報文結(jié)構(gòu)如下：
IPv4報文中各字段含義：
| 字段 | 長度 | 含義 |
|---|---|---|
| 版本 | 4 | IP協(xié)議版本號，固定為4 |
| 首部長度 | 4 | IP報文頭長度，以4字節(jié)（32 bits）為單位，即報文頭實際長度 = (IHL × 4) 字節(jié)；該字段最小值為5 |
| 服務(wù)類型 | 8 | 指示網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備如何處理該報文，用于提供QoS (Quality of Service) |
| 總長度 | 16 | IPv4報文的中長度，包括報文頭和數(shù)據(jù) |
| 標(biāo)識 | 16 | 每個報文有一個唯一的標(biāo)識符 |
| 標(biāo)志 | 3 | 占3位，但只有2位有意義；最低位記為MF(MoreFragment)，第一位記為DF(Don’t Fragment) |
| 片位移 | 13 | 該分片在原數(shù)據(jù)報文中的偏移量，以8字節(jié)為單位 |
| 生存時間 | 8 | 數(shù)據(jù)報文在網(wǎng)絡(luò)中存在的最大跳數(shù) |
| 協(xié)議 | 8 | 指示IP報文中數(shù)據(jù)部分承載的協(xié)議類型 |
| 首部校驗 | 16 | IPv4報文頭的校驗和 |
| 源地址 | 32 | 發(fā)送數(shù)據(jù)報文節(jié)點的IPv4地址 |
| 目的地址 | 32 | 接收數(shù)據(jù)報文節(jié)點的IPv4地址 |
| 可選字段 | 可變 | 較少使用，常用的選項有源路由選項、時間戳選項等 |
| 填充字段 | 可變 | 填充字段，全0 |
| 數(shù)據(jù) | 可變 | 報文承載傳輸?shù)臄?shù)據(jù) |
1.2.3 特殊含義的IP地址
一些特殊含義的IP地址：
| 特殊IP | 含義 |
|---|---|
| 127網(wǎng)段 | 回播地址 |
| 網(wǎng)絡(luò)號全0地址 | 當(dāng)前子網(wǎng)中的主機(jī) |
| 全1地址 | 本地子網(wǎng)的廣播 |
| 主機(jī)號全1地址 | 特定子網(wǎng)的廣播 |
| 10.0.0.0/8 | 10.0.0.1至10.255.255.254 |
| 172.16.0.0/12 | 172.16.0.1至172.31.255.254 |
| 192.168.0.0/16 | 192.168.0.1至192.168.255.254 |
| 169.254.0.0 | 保留地址，用于DHCP失效（Win） |
| 0.0.0.0 | 保留地址，用于DHCP失效（Linux） |
例如：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接不可用時，為測試編寫的網(wǎng)絡(luò)程序，通常使用目的IP為127.0.0.0用于測試。
1.3 IPv6地址詳解
IPv6地址分由冒號分為8段，每段是4個16進(jìn)制數(shù)（即每段占16位），總計128位。
相比IPv4，地址空間增加了2^96倍。
1.3.1 IPv6其它表示形式
一個IPv6地址中間如果包含很長的一段0，可以把連續(xù)的一段0壓縮為“::”，但為保證地址解析的唯一性，地址中”::”只能出現(xiàn)一次。
例如：2002:0000:0000:0000:0000:0000:c0a8:0564 可表示為：2002::c0a8:0564
此外，為了實現(xiàn)IPv4與IPv6互通，IPv4地址會嵌入IPv6地址中，此時地址常表示為：“X:X:X:X:X:X:d.d.d.d”：
- 前96b采用冒分十六進(jìn)制表示后32b地址則使用IPv4的點分十進(jìn)制表示
1.3.2 IPv6數(shù)據(jù)報
IPv6報文的整體結(jié)構(gòu)分為IPv6報頭、擴(kuò)展報頭和上層協(xié)議數(shù)據(jù)三部分。
- IPv6報頭：必選，長度固定為40字節(jié)，包含該報文的基本信息擴(kuò)展報頭：可選，可能存在0個、1個或多個， IPv6通過擴(kuò)展報頭實現(xiàn)各種豐富的功能上層協(xié)議：是IPv6報文攜帶的上層數(shù)據(jù)，可能是ICMPv6報文、TCP報文、UDP報文或其他可能報文
IPv6報文中各字段含義：
| 字段 | 長度 | 含義 |
|---|---|---|
| 版本 | 4 | IP協(xié)議版本號，固定為6 |
| 流量類別 | 8 | 與IPv4中的ToS類似 |
| 流量簽 | 20 | 標(biāo)記一條流 |
| 凈荷長度 | 16 | IPv6基本報文頭后的數(shù)據(jù)部分長度（包括擴(kuò)展頭的長度），以字節(jié)為單位 |
| 下一報頭 | 8 | 指示基本報文頭后的擴(kuò)展報文頭，如果沒有擴(kuò)展報文頭，則指示數(shù)據(jù)部分所承載的協(xié)議 |
| 跳數(shù)限制 | 8 | 與IPv4的TTL相同 |
| 源IPv6地址 | 128 | 發(fā)送數(shù)據(jù)報文節(jié)點的IPv6地址 |
| 目標(biāo)IPv6地址 | 128 | 128 bits，接收數(shù)據(jù)報文節(jié)點的IPv6地址 |
| 擴(kuò)展報頭 | 可變 | 可變長度，包含下一報頭字段、擴(kuò)展報頭長度字段和擴(kuò)展報頭的內(nèi)容 |
| 數(shù)據(jù) | 可變 | 報文承載傳輸?shù)臄?shù)據(jù) |
2 子網(wǎng)劃分
2.1 基礎(chǔ)概念
對于A、B、C類地址，將主機(jī)號拿出幾位作為子網(wǎng)號，可進(jìn)一步實現(xiàn)更小的網(wǎng)絡(luò)劃分，從而實現(xiàn)更加合理的網(wǎng)絡(luò)IP分配。
經(jīng)過子網(wǎng)劃分后的IP地址組成位：網(wǎng)絡(luò)號+子網(wǎng)號+主機(jī)號。
子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號都為1，主機(jī)號都為0，這樣的地址為子網(wǎng)掩碼
子網(wǎng)掩碼可使用CIDR(Classless Inter-Domain Routing)法進(jìn)行表示
對于子網(wǎng)掩碼的計算，可看下面這張圖：
2.2 一些題目
題目一：把網(wǎng)絡(luò)117.15.32.0/23劃分為117.15.32.0/27，求得到的子網(wǎng)個數(shù)以及每個子網(wǎng)中可用地址的個數(shù)。
分析：網(wǎng)絡(luò)號從23變?yōu)榱?7，即拿出了4位作為子網(wǎng)號，可劃分2^4=16個子網(wǎng)；
主機(jī)號還剩32-27=5位，子網(wǎng)中的可用地址為2^5-2=30個地址。
題目二：對于IP：192.168.50.10，子網(wǎng)掩碼：255.255.192.0，求其網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號。
分析：根據(jù)子網(wǎng)掩碼的特點（相同部分為1，不同部分為0），可以只分析第3段，如下圖：
由上圖分析可知，網(wǎng)絡(luò)號為192.168.0.0，主機(jī)部分就是50.10。
題目三：某用戶得到的網(wǎng)絡(luò)地址范圍為110.15.0.0至110.15.7.0，求其CIDR表示法，以及可分配的主機(jī)數(shù)。
分析：可畫圖分析，可知CIDR表示法為110.15.0.0/21，主機(jī)位剩余11位，可分配的主機(jī)數(shù)為2^11-2=2046個。
3 總結(jié)
本篇介紹IP地址與子網(wǎng)劃分的基礎(chǔ)知識，先介紹了IPv4與IPv6的的基礎(chǔ)知識與區(qū)別，然后結(jié)束了子網(wǎng)劃分的一些概念，并通過一些實際的例子進(jìn)行講解分析。
