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嵌入式基础知识-IP地址与子网划分

2023/10/08
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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。

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控制科学与工程硕士,日常分享单片机、嵌入式、C/C++、Linux等学习经验干货~