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。
