从IP地址的扩展

参考文章：http://blog.youkuaiyun.com/hguisu/article/details/7449955

使用TCP/IP协议进行网络应用开发的朋友首先要面对的就是对IP地址信息的处理。IP地址其实有三种不同的表示格式:

       1)Ascii(网络点分字符串)-

       2) 网络地址（32位无符号整形，网络字节序，大头）

       3)主机地址 （主机字节序）  

       IP地址是IP网络中数据传输的依据，它标识了IP网络中的一个连接，一台主机可以有多个IP地址，IP分组中的IP地址在网络传输中将保持不变。下面具体介绍IP地址的三种不同表示格式。

一、点分10进制表示格式   

        这是我们最常见的表示格式，比如某机的IP地址可能为“202.101.105.66”。事实上，对于Ipv4（IP版本）来说，IP地址是由一个32位的二进制数所构成，但这样一串数字序列无疑是十分冗长并且难以阅读和记忆的。为了方便人们的记忆和使用，就将这串数字序列分成4组，每组8位，并改为用 10进制数进行表示，最后用小原点隔开，于是就演变成了“点分10进制表示格式”。   
       来看看刚才那个IP地址的具体转化过程：   
       IP实际地址：11001010011001010110100101000010   
      分成4组后：    11001010   01100101   01101001   01000010   
       十进制表示：   202                  101              105                66   

      点分表示：       202.101.105.66   

二、网络字节顺序格式（NBO，Network   Byte   Order）  

       网络字节顺序格式和主机字节顺序格式一样，都只在进行网络开发中才会遇到。因此，在下面的介绍中，我假设读者对Socket编程知识有一定的基础。   
      在网络传输中，TCP/IP协议在保存IP地址这个32位二进制数时， 协议规定采用在低位存储地址中包含数据的高位字节的存储顺序（大头），这种顺序格式就被称为 网络字节顺序格式。在实际网络传输时，数据按照每32位二进制数为一组进行传输，由于存储顺序的影响， 实际的字节传输顺序是由高位字节到低位字节的传输顺序。   为了使通信的双方都能够理解数据分组所携带的源地址、目的地址以及分组的长度等二进制信息，无论是主机还是路由器，在发送每一个分组以前，都必须将二进制信息转换为TCP/IP标准的网络字节顺序格式。网络字节顺序格式的地址不受主机、路由器类型的影响，它的表示是唯一的。   

在Socket编程开发中，通过函数inet_addr和inet_ntoa可以实现点分字符串与网络字节顺序格式IP地址之间的转换。   
  inet_addr函数原型如下：   

[cpp] view plain copy print ?

1. unsigned   long   inet_addr(const   char   FAR   *   cp)     

  函数中的参数cp指向网络中标准的点分地址字符串，其中每个以点分开的数字不可以大于255，这些数字可以是十进制、八进制、十六进制或者混合使用。如 “10.23.2.3”、“012.003.002.024”、“0xa.0x3.0x14.0x2”、“10.003.2.0x12”。   

 我们在前面的socket编程提到client端的代码，连接本地端口：

[cpp] view plain copy print ?

1.     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
2.     servaddr.sin_family = AF_INET;  
3.     servaddr.sin_port = htons(8000);  
4.     //可以使用：inet_pton(AF_INET,  "127.0.0.1", servaddr.sin_addr);  
5.     servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//将字符串形式的IP地址转换为按网络字节顺序的整形值  
6.     connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) ;  

三、主机字节顺序格式（HBO，Host   Byte   Order）    

        主机字节顺序格式顾名思义，其IP地址的格式是和具体主机或者路由器相关的。对于不同的主机，在进行IP地址的存储时有不同的格式，比如对于 Motorola   68k系列主机，其HBO与NBO是相同的。而对于Intel   x86系列，HBO与NBO则正好相反。   
        在Socket编程中，有四个函数来完成主机字节顺序格式和网络字节顺序格式之间的转换，它们是：htonl、htons、ntohl、和ntohs。 htons和ntohs完成16位无符号数的相互转换，htonl和ntohl完成32位无符号数的相互转换。   
        在实际应用中我们常见到将端口号转换的例子（如上例）。这是因为，如果用户输入一个数字，而且将指定使用这一数字作为端口号，应用程序则必须在使用它建立地址以前，把它从主机字节顺序转换成网络字节顺序（使用htons（）函数），以遵守TCP/IP协议规定的存储标准。相应地，如果应用程序希望显示包含于某一地址中的端口号（例如从getpeername（）函数中返回的），这一端口号就必须在被显示前从网络顺序转换到主机顺序（使用ntohs（）函数）。   
        那么，对于IP地址，主机字节顺序格式的转换又有哪些应用呢？   
        应用一，如果想知道从202.156.2.23到202.156.9.65这两个IP之间到底有多少个主机地址怎么办？这时就可以将两个IP地址转换为主机字节顺序的格式然后相减来得到，具体的实现如下：   

[cpp] view plain copy print ?

1. int   GetIPCount（char   *   ip1,char   *   ip2）   {     
2.     long   pp;;     
3.     long   ss;;     
4.       
5.     pp   =   ntohl(inet_addr(ip1));;     
6.     ss   =   ntohl(inet_addr(ip2));;     
7.       
8.     return(ss   -   pp   +   1);;     
9. }   

        应用二，如果对一个网段进行扫描，比如，当前正在扫描202.156.23.255，怎么让程序知道下一个应扫的IP是202.156.24.0？这时可以将当前IP转换成主机字节顺序格式并加1后，在转换回网络格式
即可，具体实现如下：   

[cpp] view plain copy print ?

1. char   *   GetNextIp(char   *   m_curip)   {     
2.       struct   sockaddr_in   in;;     
3.       long   pp;;     
4.       char   *   re;;     
5.     
6.       pp   =   ntohl(inet_addr(m_curip));;     
7.       pp   =   pp   +   1;;     
8.     
9.       in.sin_addr.s_addr   =   htonl(pp);;     
10.       re   =   inet_ntoa(in.sin_addr);;     
11.   
12.       return   (re);;     
13. }     
14. 
    

    四、IP地址结构

struct in_addr{
	in_addr_t s_addr;
};
struct sockaddr_in{
	uint_8       	 sin_len;     //1
	sa_family_t  	 sin_family;  //1
	in_port_t    	 sin_port;    //2
	struct in_addr   sin_addr;    //4
	char             sin_zero[8]; //8
}; //16
//通用套接字
struct sockaddr{
	uint_8     	sa_len;
	sa_family_t     sa_family;
	char 		sa_data[14];
};

任何的协议为了扩展性，都在协议的包格式中加入了扩展字段，即就是保留字段。

五、IP选路

选路原理

IP搜索路由表的几个步骤:

1) 搜索匹配的主机地址;

2) 搜索匹配的网络地址;

3) 搜索默认表项(默认表项一般在路由表中被指定为一个网络表项,其网络号为 0)。

××匹配主机地址步骤始终发生在匹配网络地址步骤之前。

IP层进行的选路实际上是一种【选路机制】,它搜索路由表并决定向哪个网络接口发送分组。
这区别于【选路策略】,它只是一组决定把哪些路由放入路由表的规则。IP执行选路机制,而路
由守护程序则一般提供选路策略。

简单路由表

netstat -rn

假如有表项： 目的地是A， 网关是B，则代表前往目的地A的包将发送到B处。

路由表标志（Flags字段）:
U 该路由可用.
G 该路由通过路由转发与目的地址相连,无此标志表示本机与目的地址是直接相连的.
H 该路由的目的地址为主机地址,无此标志表示目的地址为网络地址.
D 该路由由重定向报文创建.
M 该路由被重定向报文修改.

标识G区别了间接路由和直接路由.有G即为间接路由.发往直接路由的分组包含目的地址的IP和链路层地址.发往间接路由的分组包含目的地址的IP,但链路层地址为间接路由的地址.

3.ICMP主机与网络不可达错误

当路由器收到一份IP数据报但不能转发时,将向原始发送端发送ICMP’主机不可达’差错报文.

4.ICMP重定向差错

如图，主机与R2实际上在同一个局域网下。

1.主机有一份数据要发往R2，但是由于主机的路由表中没有R2的信息，所以数据报发给默认网关R1；

2.R1通过自己的路由表发现R2是该IP数据报的下一站；

3.当R1把数据报发给R2时，发现接收主机数据报使用的端口和发送给R2使用的端口相同（即主机与R2在同一局域网下）；

4.R1向主机发送ICMP重定向报文,修改主机的路由表,以后主机直接把数据报发往R2.

ICMP重定向报文的接收者必须查看3个IP地址：

1.导致重定向的地址(即ICMP重定向报文的数据位于IP数据报的首部);

2.发送重定向报文的路由器的IP地址(包含重定向信息的IP数据报中的源地址）;

3.应该采用的路由器IP地址(在ICMP报文中的4 ~ 7字节）。

××重定向报文只能由路由器生成,而不能由主机生成。另外,重定向报文是为主机而不是为路由器使用的！

六、网络层作用

网络层所研究和解决的问题：
1.网络层提供给运输层的服务；
2.路由选择；
3.流量控制；
4.网络互连；
5.Internet中的网络层协议。

总结         

介绍了IP地址的三种不同表示格式，包括各种格式产生的原因、具体含义以及在Socket编程开发中的一些应用。在实际应用中，必须遵循应用时所应采用的格式标准，同时还应灵活运用格式间的相互转换以及计算技巧。