本篇介绍IP地址与子网划分的一些基础知识,在嵌入式开发,使用网络功能时,需要了解网络的一些基础知识。
1 IP地址
1.1 IPv4与IPv6
对比信息 | IPv4 | IPv6 |
---|---|---|
长度 | 32位 | 128位 |
地址表示形式 | 点分十进制 | 冒分十六进制 |
表示示例 | 192.168.5.100 | 2002:0000:0000:0000:0000:0000:c0a8:0564 |
1.2 IPv4地址详解
IPv4地址分4段,每段8位,共32位二进制数组成。
1.2.1 地址分类
这32位又被分为网络号和主机号两部分,根据网络号占用位数的不同,又可分为以下几类:
- A类地址:网络号占8位B类地址:网络号占16位C类地址:网络号占24位
对于十进制与二进制的转换,可用利用如下对照表方便手动换算:
1.2.2 IPv4数据报
IPv4报文结构如下:
IPv4报文中各字段含义:
字段 | 长度 | 含义 |
---|---|---|
版本 | 4 | IP协议版本号,固定为4 |
首部长度 | 4 | IP报文头长度,以4字节(32 bits)为单位,即报文头实际长度 = (IHL × 4) 字节;该字段最小值为5 |
服务类型 | 8 | 指示网络中设备如何处理该报文,用于提供QoS (Quality of Service) |
总长度 | 16 | IPv4报文的中长度,包括报文头和数据 |
标识 | 16 | 每个报文有一个唯一的标识符 |
标志 | 3 | 占3位,但只有2位有意义;最低位记为MF(MoreFragment),第一位记为DF(Don’t Fragment) |
片位移 | 13 | 该分片在原数据报文中的偏移量,以8字节为单位 |
生存时间 | 8 | 数据报文在网络中存在的最大跳数 |
协议 | 8 | 指示IP报文中数据部分承载的协议类型 |
首部校验 | 16 | IPv4报文头的校验和 |
源地址 | 32 | 发送数据报文节点的IPv4地址 |
目的地址 | 32 | 接收数据报文节点的IPv4地址 |
可选字段 | 可变 | 较少使用,常用的选项有源路由选项、时间戳选项等 |
填充字段 | 可变 | 填充字段,全0 |
数据 | 可变 | 报文承载传输的数据 |
1.2.3 特殊含义的IP地址
一些特殊含义的IP地址:
特殊IP | 含义 |
---|---|
127网段 | 回播地址 |
网络号全0地址 | 当前子网中的主机 |
全1地址 | 本地子网的广播 |
主机号全1地址 | 特定子网的广播 |
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:当网络连接不可用时,为测试编写的网络程序,通常使用目的IP为127.0.0.0用于测试。
1.3 IPv6地址详解
IPv6地址分由冒号分为8段,每段是4个16进制数(即每段占16位),总计128位。
相比IPv4,地址空间增加了2^96倍。
1.3.1 IPv6其它表示形式
一个IPv6地址中间如果包含很长的一段0,可以把连续的一段0压缩为“::”,但为保证地址解析的唯一性,地址中”::”只能出现一次。
例如:2002:0000:0000:0000:0000:0000:c0a8:0564 可表示为:2002::c0a8:0564
此外,为了实现IPv4与IPv6互通,IPv4地址会嵌入IPv6地址中,此时地址常表示为:“X:X:X:X:X:X:d.d.d.d”:
- 前96b采用冒分十六进制表示后32b地址则使用IPv4的点分十进制表示
1.3.2 IPv6数据报
IPv6报文的整体结构分为IPv6报头、扩展报头和上层协议数据三部分。
- IPv6报头:必选,长度固定为40字节,包含该报文的基本信息扩展报头:可选,可能存在0个、1个或多个, IPv6通过扩展报头实现各种丰富的功能上层协议:是IPv6报文携带的上层数据,可能是ICMPv6报文、TCP报文、UDP报文或其他可能报文
IPv6报文中各字段含义:
字段 | 长度 | 含义 |
---|---|---|
版本 | 4 | IP协议版本号,固定为6 |
流量类别 | 8 | 与IPv4中的ToS类似 |
流量签 | 20 | 标记一条流 |
净荷长度 | 16 | IPv6基本报文头后的数据部分长度(包括扩展头的长度),以字节为单位 |
下一报头 | 8 | 指示基本报文头后的扩展报文头,如果没有扩展报文头,则指示数据部分所承载的协议 |
跳数限制 | 8 | 与IPv4的TTL相同 |
源IPv6地址 | 128 | 发送数据报文节点的IPv6地址 |
目标IPv6地址 | 128 | 128 bits,接收数据报文节点的IPv6地址 |
扩展报头 | 可变 | 可变长度,包含下一报头字段、扩展报头长度字段和扩展报头的内容 |
数据 | 可变 | 报文承载传输的数据 |
2 子网划分
2.1 基础概念
对于A、B、C类地址,将主机号拿出几位作为子网号,可进一步实现更小的网络划分,从而实现更加合理的网络IP分配。
经过子网划分后的IP地址组成位:网络号+子网号+主机号。
子网掩码:网络号和主机号都为1,主机号都为0,这样的地址为子网掩码
子网掩码可使用CIDR(Classless Inter-Domain Routing)法进行表示
对于子网掩码的计算,可看下面这张图:
2.2 一些题目
题目一:把网络117.15.32.0/23划分为117.15.32.0/27,求得到的子网个数以及每个子网中可用地址的个数。
分析:网络号从23变为了27,即拿出了4位作为子网号,可划分2^4=16个子网;
主机号还剩32-27=5位,子网中的可用地址为2^5-2=30个地址。
题目二:对于IP:192.168.50.10,子网掩码:255.255.192.0,求其网络号和主机号。
分析:根据子网掩码的特点(相同部分为1,不同部分为0),可以只分析第3段,如下图:
由上图分析可知,网络号为192.168.0.0,主机部分就是50.10。
题目三:某用户得到的网络地址范围为110.15.0.0至110.15.7.0,求其CIDR表示法,以及可分配的主机数。
分析:可画图分析,可知CIDR表示法为110.15.0.0/21,主机位剩余11位,可分配的主机数为2^11-2=2046个。
3 总结
本篇介绍IP地址与子网划分的基础知识,先介绍了IPv4与IPv6的的基础知识与区别,然后结束了子网划分的一些概念,并通过一些实际的例子进行讲解分析。