习题HJ18 IP地址与子网掩码

习题HJ18 识别有效的IP地址和掩码并进行分类统计及相关知识复习

1. IP地址与子网掩码

  IP地址作为计算机在网络内的唯一标识，由网络地址 + 主机地址组成。子网掩码将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

1.1 IP地址分类

1.1.1 地址类型分类

$$\begin{array}{ccc}\text{ 地址类型 }& \text{ 十进制地址范围 }& \text{ 特征 }\\ \text{ A类地址 }& \mathrm{1.0.0.0}-\mathrm{127.255.255.255}& \text{ 第1个8位中的第1位始终为 }0\\ \text{ B类地址 }& \mathrm{128.0.0.0}-\mathrm{191.255.255.255}& \text{ 第1个8位中的第1、2位始终为 }10\\ \text{ C类地址 }& \mathrm{192.0.0.0}-\mathrm{223.255.255.255}& \text{ 第1个8位中的第1、2、3位始终为110 }\\ \text{ D类地址 }& \mathrm{224.0.0.0}-\mathrm{239.255.255.255}& \text{ 第1个8位中的第1、2、3、4位始终为1110 }\\ \text{ E类地址 }& \mathrm{240.0.0.0}-\mathrm{247.255.255.255}& \text{ 第1个8位中的第1、2、3、4、5位始终为11110 }\end{array}$$

注意：【0.*.*.*】和【127.*.*.*】是本地回环地址（ 计算机以回环地址发送的消息，并不会由链路层送走，而是被本机网络层捕获。用处只有一个，就是自己发给自己，自娱自乐），不属于上述任意一类，也不属于不合法IP地址。

  现有一个C类地址的IP地址段192.168.1.0~192.168.1.225（共256个IP地址），想要把这个IP地址段划分成四个子网网段（每个子网64个IP地址），使得主机直接无法跨子网通信：

192.168.1.0-192.168.1.63
192.168.1.64-192.168.1.127
192.168.1.128 -192.168.1.191
192.168.1.192-192.168.1.255

如何去直接描述这四个IP子网段？

解决方法：子网掩码

1.1.2 地址范围分类

  由于我国接入国际互联网的时期比较晚，所以分配到的IPv4地址十分的稀少，IP地址的供应更是严重不足。为了应对这个问题，IPv4地址被划分为公网IP和私网IP。
  私网IP只能在组织机构内部使用，不会出现在互联网上的，无法直接使用它们来访问互联网，而只能在本地连接也就是局域网中使用。公网IP能直接连接上网络，所以对于那些住宅小区，公司，学校，政府机构等场所，就可以集中使用私有的IP进行管理，而大家可以共用一个IP去连接上公网，这样，就省下了许多宝贵的公网IP。

私网IP范围是：
从10.0.0.0到10.255.255.255
从172.16.0.0到172.31.255.255
从192.168.0.0到192.168.255.255

这也是每次使用ipconfig查到的地址，要么就是172.开头的，要么就是192.开头的（是学生的话基本就是10.开头）。ipconfig查询到的其实只是我们的局域网IP,172.开头的意味着我们是B类型的局域网，以192.开头的意味着你是ｃ类的局域网。所以我们一直都没有接触到正真的IP，我们一直打交道的都是私网IP。

1.2 子网掩码

  子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。

192.168.1.0-192.168.1.63

  以第一个子网段为例，其二进制共有26位首尾地址完全相同。所以子网掩码为255.255.255.192，其中共有26个1，该子网可以缩写为/26。所以说第一个子网段可以用网段192.168.1.0/26表示。注意一个子网中主机号全为0的是网络地址，全为1的是广播地址，这两个地址无法作为主机地址。

广播地址 = (~子网掩码) | 网络地址

$$\begin{array}{cc}\text{ 十进制地址 }& \text{ 二进制情况}\\ \mathrm{192.168.1.0}& \mathrm{11000000.10101000.00000001.00000000}\\ \mathrm{192.168.1.63}& \mathrm{11000000.10101000.00000001.00111111}\\ \mathrm{255.255.255.192}& \mathrm{11111111.11111111.11111111.11000000}\end{array}$$

$$\begin{array}{rl}& \text{ 默认子网掩码 }\\ & \begin{array}{ccc}\text{ 网络类型 }& \text{ 默认子网掩码 }& \text{ 缩写 }\\ \text{ A类地址 }& \mathrm{255.0.0.0}& /8\\ \text{ B类地址 }& \mathrm{255.255.0.0}& /16\\ \text{ C类地址 }& \mathrm{255.255.255.0}& /24\end{array}\end{array}$$

1.3 能否通信要看网络地址

网络地址 = IP & 子网掩码

  一个主机192.168.1.199/26 能否和直连主机192.168.1.200/24 通信？能否和直连主机 192.168.1.1/24 通信？PS: 显然/24就是子网掩码255.255.255.0的缩写

192.168.1.199/26的网络地址为192.168.1.192，即

11000000.10101000.00000001.11000111 &
11111111.11111111.11111111.11000000

192.168.1.200/24的网络地址为192.168.1.192
192.168.1.1/24的网络地址为192.168.1.0
显然，（1）能，（2）否，实现了主机直接无法跨子网通信

1.4 子网容量

子网数量：子网掩码包含了网络地址的信息，除去被网络地址占用的bit位，剩余bit位将用作主机地址。

子网数 = 2^(实际子网掩码缩写 - 相应网络类型默认子网掩码缩写)
在上述案例中，2^(26-24) = 4，即将一个C类IP地址段划分为了四个子网。

最大主机数

计算方式：最大主机数 = 2^(主机地址的位数)

可用主机数

计算方式：可用主机数 = 最大主机数 - 2
因为一个子网中主机号全为0的是网络地址，全为1的是广播地址，所以要 -2

2. 习题HJ18 识别有效的IP地址和掩码并进行分类统计

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思路：

1. 按行读取输入，根据字符‘~’ 将IP地址ip与子网掩码mask分开
2. 检查是否为私有IP地址，是的话则跳过后续检测进行下一行的读入
3. 查看子网掩码是否合法。
   合法，则继续检查IP地址
   非法，则相应统计项+1，继续下一行的读入
4. 查看IP地址是否合法
   合法，查看IP地址属于哪一类，是否是私有ip地址；相应统计项+1
   非法，相应统计项+1

#include<iostream>
#include<string>
#include<sstream>
#include<vector>
using namespace std;

bool judge_ip(string ip) {
    int j = 0;
    istringstream iss(ip);
    string seg;
    while (getline(iss, seg, '.'))
        if (++j > 4 || seg.empty() || stoi(seg) > 255)
            return false;
    return j == 4;
}

bool is_private(string ip) {
    istringstream iss(ip);
    string seg;
    vector<int> v;
    while (getline(iss, seg, '.')) v.push_back(stoi(seg));
    if (v[0] == 10) return true;
    if (v[0] == 172 && (v[1] >= 16 && v[1] <= 31)) return true;
    if (v[0] == 192 && v[1] == 168) return true;
    return false;
}

bool is_mask(string ip) {
    istringstream iss(ip);
    string seg;
    unsigned b = 0;
    while (getline(iss, seg, '.')) b = (b << 8) + stoi(seg);
    if (!b) return false;
    b = ~b + 1;
    if (b == 1) return false;
    if ((b & (b - 1)) == 0) return true;
    return false;
}

int main() {
    string input;
    int a = 0, b = 0, c = 0, d = 0, e = 0, err = 0, p = 0;
    while (cin >> input) {
        istringstream is(input);
        string add;
        vector<string> v;
        while (getline(is, add, '~')) v.push_back(add);
        int first = stoi(v[0].substr(0, v[0].find_first_of('.')));
        if (first == 127 || first == 0) continue;
        if (!judge_ip(v[1]) || !is_mask(v[1])) err++;
        else {
            if (!judge_ip(v[0])) err++;
            else {
                int first = stoi(v[0].substr(0, v[0].find_first_of('.')));
                if (is_private(v[0])) p++;
                if (first > 0 && first < 127) a++;
                else if (first > 127 && first < 192) b++;
                else if (first > 191 && first < 224) c++;
                else if (first > 223 && first < 240) d++;
                else if (first > 239 && first < 256) e++;
            }
        }
    }
    cout << a << " " << b << " " << c << " " << d << " " << e << " " << err << " "
         << p << endl;
    return 0;
}