lv7 嵌入式开发-网络编程开发 04 IP地址与端口号

目录

1 IP地址

1.1 IP 地址及其表示方法

1.2 分类的 IP 地址

1.3 无分类编址 CIDR

 1.3.1 网络前缀

1.3.2 地址块

1.3.3 地址掩码 (address mask) 

1.4 IPv6 的地址

1.4.1 表示方式

1.4.2 零压缩

2 端口号

2.1 进程之间的通信

2.2 运输层的作用 

2.3 屏蔽作用 

2.4 可靠信道与不可靠信道 

2.5 运输层的两个主要协议

2.6 运输协议数据单元 

2.7 UDP 与 TCP 的区别

2.8 运输层的端口 

2.9 端口号 (protocol port number)

2.10 TCP/IP 运输层端口的标志 

2.11 两大类、三种类型的端口

2.12 常用的熟知端口 

2.13 BSD端口 （也是一个标准）

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1 IP地址

1.1 IP 地址及其表示方法

示例： 

 

IP 地址采用 2 级结构

IP地址在整个互联网范围内是唯一的。

IP 地址指明了连接到某个网络上的一个主机 

网络号的位数 n 是多少？

1.2 分类的 IP 地址

• 任意一个IP地址我们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 IP 地址的指派范围

注意：

• A 类网络地址中， 网络号 0 和 127 是保留地址，不指派。0 表示“本网络”，127 保留作为本地环回测试地址。
• B 类网络地址中，网络号 128.0  是被 IANA 保留的，不指派。采用无分类编址（CIDR）时可以指派。
• C 类网络地址中，网络号 192.0.0 是被 IANA 保留的，不指派。采用无分类编址（CIDR）时可以指派。
• 指派主机号时，要扣除全 0 和全 1 。全 0 和全 1 有特殊含义和用途。 

一般不使用的特殊的 IP 地址

分类的 IP 地址的优点和缺点 

• 管理简单； 使用方便； 转发分组迅速； 划分子网，灵活地使用。
• 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。

例：一个拥有1000台主机的组织，需要申请哪类IP地址？

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

例：假设有一个IP地址为192.168.1.100，子网掩码为255.255.255.0的网络。

1. 网络号：网络号是指用来标识网络的部分。在这个例子中，子网掩码为255.255.255.0意味着前3个字节（24个位）用于表示网络号。因此，192.168.1是网络号。

2. 子网号：子网号是指在一个网络内再进行划分而得到的子网的部分。在这个例子中，子网掩码为255.255.255.0意味着最后一个字节（8个位）用于表示子网号。因此，1是子网号。

3. 主机号：主机号是指在一个子网内具体的主机或设备的标识。在这个例子中，最后一个字节（8个位）除去子网号的部分就是主机号。因此，100是主机号。

综上所述，IP地址192.168.1.100在子网掩码为255.255.255.0的网络中，网络号为192.168.1，子网号为1，主机号为100。

需要注意的是，子网划分和IP地址的具体规模和网络需求有关，因此在实际应用中，可以根据需要选择不同的子网掩码来划分网络、子网和主机。

1.3 无分类编址 CIDR

CIDR (Classless Inter-Domain Routing) ：无分类域间路由选择。

消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间，但无法解决 IP 地址枯竭的问题。

 1.3.1 网络前缀

最大的区别： 前缀的位数 n 不固定，可以在 0 ~ 32 之间选取任意值。 

CIDR 记法：

        斜线记法 (slash notation)

a.b.c.d / n：

        二进制 IP 地址的前 n 位是网络前缀。 例如：128.14.35.7/20：前 20 位是网络前缀。

1.3.2 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。

注意： 

1.3.3 地址掩码 (address mask) 

又称为子网掩码 (subnet mask)。

位数：32 位。

目的：让机器从 IP 地址迅速算出网络地址。

由一连串 1 和接着的一连串 0 组成，而 1 的个数就是网络前缀的长度。

/20 地址块的地址掩码： 11111111 11111111 11110000 00000000

点分十进制记法：255.255.240.0        

CIDR 记法：255.255.240.0/20。

默认地址掩码

网络地址 = (二进制的 IP 地址) AND (地址掩码) 

 【例】已知 IP 地址是 128.14.35.7/20。求网络地址。

(a) 点分十进制 IP 地址

        128.14.35.7

(b) 二进制 IP 地址

        1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1

(c) 地址掩码是 255.255.224.0

        1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(d) IP 地址与地址掩码按位 AND

        1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(e) 网络地址（点分十进制）

        128.14.32.0

1.4 IPv6 的地址

• 在 IPv6 中，每个地址占 128 位，地址空间大于 3.4 *10^38 。
• 使用冒号十六进制记法(colon hexadecimal notation, 简写为 colon hex)：16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。

1.4.1 表示方式

点分十进制数记法：

        104.230.140.100.255.255.255.255.0.0.17.128.150.10.255.255

冒号十六进制记法：

        68E6:8C64:FFFF:FFFF:0000:1180:960A:FFFF

冒号十六进制记法：

        68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF

两个技术：零压缩，点分十进制记法的后缀。

1.4.2 零压缩

零压缩 (zero compression)：一串连续的零可以用一对冒号取代。

FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可压缩为：FF05::B3

注意：在任一地址中，只能使用一次零压缩。 

2 端口号

2.1 进程之间的通信

2.2 运输层的作用 

2.3 屏蔽作用 

运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

2.4 可靠信道与不可靠信道 

2.5 运输层的两个主要协议

互联网的正式标准：

用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)

传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)

2.6 运输协议数据单元 

两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)。

TCP 传送的数据单位协议是 TCP 报文段 (segment)。

UDP 传送的数据单位协议是 UDP 报文或用户数据报。

2.7 UDP 与 TCP 的区别

UDP

• 传送数据之前不需要先建立连接。
• 收到 UDP 报后，不需要给出任何确认。
• 不提供可靠交付，但是一种最有效的工作方式。

TCP

• 提供可靠的、面向连接的运输服务。
• 不提供广播或多播服务。
• 开销较多。

使用 UDP 和 TCP 的典型应用和应用层协议

2.8 运输层的端口 

复用：应用进程都可以通过运输层再传送到 IP 层（网络层）。 

分用：运输层从 IP 层收到发送给应用进程的数据后，必须分别交付给指明的各应用进程。

如何指明各应用进程？

需要考虑的问题

• 进程的创建和撤销都是动态的，因此发送方几乎无法识别其他机器上的进程。
• 我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点，而不需要知道具体实现这个功能的进程是哪一个。
• 有时我们会改换接收报文的进程，但并不需要通知所有的发送方。

2.9 端口号 (protocol port number)

解决方法：在运输层使用协议端口号 (protocol port number)，或通常简称为端口 (port)。把端口设为通信的抽象终点。

2.10 TCP/IP 运输层端口的标志 

端口用一个 16 位端口号进行标志，允许有 65,535 个不同的端口号。

端口号只具有本地意义，只是为了标志本计算机应用层中的各进程。

在互联网中，不同计算机的相同端口号没有联系。

由此可见，两个计算机中的进程要互相通信，不仅必须知道对方的端口号，而且还要知道对方的 IP 地址。 

2.11 两大类、三种类型的端口

 

2.12 常用的熟知端口 

2.13 BSD端口 （也是一个标准）

• 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。

IANA建议49152至65535作为“动态或私有端口”。

许多Linux内核使用32768至61000范围。配置文件/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range有当前系统设定。

3 练习

1.以下不是合法的IPV4的地址是：

A). 192.168.0.14 B). 10.87.384.31 C).255.255.255.255 D). 127.0.0.1

2.以下关于IP地址说法，错误的是：

A). IP可以采用数字表示，比如0xe80e0832就可以表示一个IP地址

B). IPV6的提出主要目的是解决IPV4的IP地址枯竭的问题

C). 234.76.10.1是一个合法的广播地址

D). ::1是一个合法的IP地址

3.以下关于端口号的说法，错误的是：

A). 端口是一个16位的数字，主要用于系统区分不同的网络数据该由那个任务来处理

B).为避免冲突，TCP和UDP端口不能同时使用同一端口

C).网络数据是由IP地址和端口以及套接字类型决定的

D).用户编程不可使用1024以下的端口

1. 选项B). 10.87.384.31 不是合法的IPv4地址，因为每个IP段的取值范围是0到255，而384超出了有效范围。
2. 选项A). IP可以采用数字表示，比如0xe80e0832就可以表示一个IP地址 是错误的。IP地址通常用点分十进制表示，而不是十六进制。
3. 选项B). 为避免冲突，TCP和UDP端口不能同时使用同一端口 是错误的。实际上，TCP和UDP协议使用独立的端口空间，所以同一端口号可以同时被TCP和UDP使用。