C++网络编程之IP地址和端口

概述

        IP地址和端口共同定义了网络通信中的源和目标。IP地址负责将数据从源设备正确地传输到目标设备，而端口则确保在目标设备上数据被交付到正确的应用或服务。因此，在网络编程中，IP地址和端口是密不可分的两个概念，共同构成了网络通信的基础。

IP地址

        IP地址是互联网协议地址，它为互联网上的每一个网络、每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。IP地址允许数据在网络上正确路由，确保数据从源设备正确地传输到目标设备。

        目前常用的IP地址主要分为IPv4和IPv6两种。

        IPv4：采用了32位地址长度，分为四组，每组8位。用点分十进制表示法表示，类似“192.168.50.100”的形式。IPv4地址空间有限，最多只能分配42亿多个地址，在2019年左右已基本分配完毕。

        IPv6：为了解决IPv4地址不够用的问题，推出了IPv6。它采用了128位地址长度，分为8组，每组16位。用冒分十六进制表示法表示，即“xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx”的形式。IPv6地址空间极大，几乎可以为地球上的每一粒沙子分配一个地址。

        IP地址中存在一些比较特殊的地址，它们具有特殊的含义，具体如下。

        0.0.0.0：表示所有网络地址，通常用于默认路由。

        255.255.255.255：表示全网的广播地址，用于向同一网络内的所有设备发送数据。

        127.0.0.1：表示本机地址，用于本机测试或环回接口。

        为了解决IPv4地址空间不足的问题，提出了私有地址的概念。私有地址是指在互联网上不公开使用，而是被保留在私有网络（比如：局域网LAN、企业内网等）内部使用的IP地址范围。这些地址不会被互联网上的路由设备所识别和转发，因此它们不会与全球唯一的公网IP地址发生冲突。

        目前，IPv4地址中的私有地址范围主要包括以下三个。

        1、A类私有地址。10.0.0.0到10.255.255.255，这是一个连续的A类地址块，共包含约1677万个地址。

        2、B类私有地址。172.16.0.0到172.31.255.255，这是一个连续的B类地址块，但是被划分为16个子网，每个子网包含约65534个地址。

        3、C类私有地址。192.168.0.0到192.168.255.255，这是一个连续的C类地址块，但是被划分为256个子网（每个子网以.0到.255结尾），每个子网包含约254个地址。

        在私有网络中，设备可以使用这些私有地址进行相互通信。当私有网络中的设备需要与互联网上的设备进行通信时，需要使用网络地址转换（即NAT）技术，将私有地址转换为公网IP地址，以实现数据的跨网络通信。NAT技术可以有效地节约公网IP地址资源，同时保护私有网络内部的设备不被外部网络直接访问，提高了网络的安全性。

端口

        端口是单个设备上运行多个网络服务时使用的逻辑单位。每个端口都有一个数字标识，范围从0到65535。端口将网络通信划分为不同的应用或服务，确保数据在目标设备上被交付到正确的应用或服务。

        端口大致可以分为以下几类。

        1、公认端口：从0到1023，被IANA（互联网编号分配机构）分配给特定的服务。这些端口的通讯明确表明了某种服务的协议，比如：HTTP服务通常使用80端口，HTTPS服务使用443端口。

        2、注册端口：从1024到49151，它们松散地绑定于一些服务。这些端口同样用于许多其它目的，但通常不会由IANA直接分配。很多应用程序和服务，都使用这些端口号范围内的某个端口。

        3、动态/私有端口：从49152到65535，这些端口号通常留给客户端程序使用，以便在客户端和服务器之间建立动态或临时的连接。

        4、特殊端口：除了上述的分类外，还有一些特殊的端口。比如：0端口通常用于表示任意端口或无端口，65535端口通常用作广播地址的一部分，但在TCP/IP协议中不用于端口号。

        在网络通信中，端口的作用主要体现在以下三个方面。

        1、区分服务。不同的服务使用不同的端口号进行区分，确保数据能够被正确地交付到目标服务。

        2、安全控制。通过防火墙等安全设备对特定端口的访问进行控制，提高网络安全性。

        3、负载均衡。在服务器集群中，通过端口映射等技术实现负载均衡，可提高服务性能和可靠性。

实例解析

        在下图的网络拓扑图中，存在两个局域网的网段，分别为：192.168.50.X和192.168.60.X，两个网段通过路由器、网关等设备进行联通。

        现在想通过192.168.50.120设备的6666端口发送消息给192.168.60.220设备的6667端口，假设使用TCP协议进行传输，大致的流程如下。

        1、应用层请求。在192.168.50.120上运行的应用程序首先生成要发送的数据，并请求通过TCP协议发送这些数据到目标地址192.168.60.220和端口6667。

        2、传输层封装。在192.168.50.120的传输层接收到应用层的数据后，会将其封装成一个TCP段。这个TCP段包含了：源端口号6666、目标端口号6667、序列号（用于数据的顺序控制）、确认号（对于应答包）、数据本身等。

        3、网络层封装。TCP段被传递给网络层。在网络层，TCP段被封装成IP数据包。IP数据包包含了：源IP地址192.168.50.120、目标IP地址192.168.60.220、用于路由的TTL生存时间等。

        路由器根据IP数据包的目的地址192.168.60.220在路由表中查找下一跳地址，并将数据包转发到相应的网络接口。由于两个网段192.168.50.X和192.168.60.X通过路由器连接，数据包将被转发到连接192.168.60.X网段的路由器接口。

        4、数据包传输。数据包通过物理网络（比如：以太网）被发送到目标网络192.168.60.X。在这个过程中，数据包可能会经过多个路由器或交换机，但每个节点都会根据IP数据包中的目标地址来转发它。

        5、目标机器接收。当数据包到达192.168.60.220时，IP层会解析数据包，并将TCP段传递给相应的TCP端口6667。在192.168.60.220的TCP层，接收到的TCP段会被重新组装成原始的数据流，并传递给上层的应用程序。

        6、应用层处理。应用程序在192.168.60.220上接收到数据，进行相应的处理（比如：显示消息、处理请求等）。