网络编程 02：IP 地址，IP 地址的作用、分类，通过 Java 实现 IP 地址的信息获取

一、概述

记录时间 [2024-12-18]

前置文章：网络编程 01：计算机网络概述，网络的作用，网络通信的要素，以及网络通信协议与分层模型

本文讲述网络编程相关知识——IP 地址，包括 IP 地址的作用、分类，以及特殊的 IP 等。

IP 地址的作用在于唯一定位一台网络上的计算机。文章中通过 Java 编程，实现了 IP 地址的信息获取。

通过获取 IP 和端口，同时基于相关的网络协议，我们能实现不同计算机之前的通信。

二、IP 地址的分类

1. IPv4 / IPv6

IPv4 和 IPv6 是互联网协议（IP）的两个版本，用于定义数据在网络中的传输格式和寻址方式。

IPv6 作为 IPv4 的继任者被开发出来，以解决地址空间不足的问题，并引入了其他改进。

IPv4

IPv4（Internet Protocol version 4）

• 地址格式：
  • IPv4 使用 32 位二进制数表示地址，例如 192.168.1.1。
  • 以点分十进制记法书写，每 8 位用 . 隔开，共 4 组，每组二进制都转换成十进制。
  • 这种格式大约提供 43 亿个唯一的 IP 地址。其中30 亿都在北美，亚洲 4 亿，基本用尽了。
• 子网掩码：
  • 使用子网掩码来区分网络部分和主机部分。
  • 子网掩码同样由 32 位组成，例如，255.255.255.0 表示前 24 位是网络部分。
  • 在 192.168.1.0/24 子网中，前 24 位是网络部分。
• 广播地址：
  • 每个子网都有一个广播地址，用于向该子网内的所有设备发送消息。
  • 例如，在 192.168.1.0/24 子网中，广播地址是 192.168.1.255。
• 私有地址：
  • 为了缓解公有 IP 地址的短缺，定义了私有地址范围，这些地址可以在内部网络中重复使用。
• NAT（网络地址转换）：
  • 由于 IPv4 地址资源有限，很多网络使用 NAT 技术，允许多个内部设备通过一个或少数几个公有 IP 地址访问互联网。

IPv6

IPv6（Internet Protocol version 6）

• 地址格式：
  • IPv6 使用 128 位二进制数表示地址。
  • 以冒号十六进制记法书写，每 16 位用 : 隔开，共 8 组，每组二进制都转换成十六进制。
  • 例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334，简化后的表示可以省略前导零和连续的零段，如 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334。
• 地址空间：
  • IPv6 设计时就考虑到了足够的地址空间，因此原则上不再需要 NAT。
  • IPv6 提供了几乎无限的地址空间，每个设备都可以拥有一个全球唯一的 IP 地址。
• 相比于 IPv4 的优点：
  • 多播支持：IPv6 对多播的支持更加高效，取消了广播概念，所有通信都基于单播或多播。
  • 自动配置：IPv6 支持无状态地址自动配置（SLAAC），允许设备在没有 DHCP 服务器的情况下自动获取 IP 地址和其他网络设置。
  • 移动性：IPv6 内置了对移动节点的支持，使得移动设备能够在不同网络之间无缝切换。
  • 更好的头部格式：IPv6 头部比 IPv4 更简洁，去除了不必要的字段，并将选项移动到扩展头部，这有助于提高路由器处理效率。
  • 安全性增强：IPv6 强制要求支持 IPsec（IP 安全协议），提高了通信的安全性。

2. 公网 / 私网

公网（互联网）

• 公网是指连接到全球互联网的网络；
• 其 IP 地址在全球范围内唯一；
• 可以直接通过互联网进行通信。

私网（局域网）

• 私网是指不直接连接到互联网的内部网络；
• 私网使用的是特定保留的 IP 地址段，可以在多个不同的私有网络中重复使用。
• 私网内的设备可以相互通信，如 192.168.x.x，给组织内部使用，要考虑安全性。
• 通过 NAT 技术，私网中的多台设备可以通过同一个公网 IP 地址访问外部资源。

三、域名

• 域名是为了方便人类记忆而设计的，是人类可读的、层次化的名称，用于标识互联网上的资源或服务。例如，www.example.com。

• IP 地址是计算机网络用来标识和定位设备的实际地址。

• 域名系统（Domain Name System, DNS）是一个分布式数据库，负责将域名转换为对应的 IP 地址。

• 域名解析：使用域名系统将域名转换为对应的 IP 地址的过程。

四、ABCDE 类地址

IPv4 地址被划分为 A、B、C、D、E 五个类别，其中 A、B、C 类主要用于单播传输，D 类用于组播传输，E 类保留为将来使用。

下面是这五个类别的详细划分。

1. A ~ C 类

A ~ C 类主要用于单播传输。

观察这个 IP 地址：192.168.1.1/24，一共 4 个字节，包含网络部分和主机部分。

• 网络部分：24 表示前 3 个字节表示网络；
• 主机部分：剩下的 1 个字节表示主机。

根据网络部分和主机部分的不同表示，划分了 A、B、C 三类地址。

A 类

A 类：网络 1 + 主机 3（从左往右，下同）

• 例如 192.168.1.1/8，适用于大型网络，能够支持大量的主机。
• 默认子网掩码：255.0.0.0

B 类

B 类：网络 2 + 主机 2

• 例如 192.168.1.1/16，适用于中型网络。
• 默认子网掩码：255.255.0.0

C 类

C 类：网络 3 + 主机 1

• 例如 192.168.1.1/24，适用于小型网络。
• 默认子网掩码：255.255.255.0

2. D ~ E 类

D 类用于组播传输，E 类保留为将来使用。

• D 类：
  • 主要用于组播（多播），即从一个源发送数据到多个接收者。
  • 不使用传统的子网掩码，不遵循传统的网络部分和主机部分的划分方式。
• E 类：
  • 目前主要保留用于实验和研究目的。
  • 不使用传统的子网掩码，不遵循传统的网络部分和主机部分的划分方式。

3. A ~ E 类地址的范围

xxx 表示主机范围。

地址	二进制表示	十进制表示
A 类	00000001.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx ~ 01111111.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx	1.0.0.0 ~ 127.255.255.255
B 类	10000000.00000000.xxxxxxxx.xxxxxxxx ~ 10111111.11111111.xxxxxxxx.xxxxxxxx	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C 类	11000000.00000000.00000000.xxxxxxxx ~ 11011111.11111111.11111111.xxxxxxxx	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D 类	11100000.00000000.00000000.00000000 ~11101111.11111111.11111111.11111111	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E 类	11110000.00000000.00000000.00000000 ~ 11111111.11111111.11111111.11111111	240.0.0.0 ~ 255.255.255.255

4. 第 1 个字节上的区别

十进制划分

从左数，第 1 个字节上，范围 0 ~ 255（十进制），A ~ E 类地址的划分如下。

二进制划分

从左数，第 1 个字节上，范围 00000001 ~ 11111111（二进制），A ~ E 类地址的划分如下。

• A 类：0xxxxxxx
• B 类：10xxxxxx
• C 类：110xxxxx
• D 类：1110xxxx
• E 类：1111xxxx

xxx 才是它们的范围。例如，A 类 7 个 x，范围 00000001 ~ 01111111。

五、特殊 IP 地址

特殊 IP 地址，是指在互联网协议（Internet Protocol, IP）中，具有特定用途或保留用于特殊目的的地址。

这些地址通常不能直接用于公共互联网上的常规通信。

以下是几种常见的特殊 IP 地址及其用途：

• 127.0.0.1：回环地址，又名 localhost，用于标识本地主机，允许计算机上的程序与同一台计算机上的其他程序进行通信，不必通过网络接口卡。
• 0.0.0.0：表示 “本网络”，常用于默认网关配置。
• 255.255.255.255：有限广播地址，用于向本地网络中的所有设备发送数据。

六、代码实现

1. 检测网络

一些检测网络的方法

# 联网检查：ping 网络ip地址
ping baidu.com# 查看网络配置
ipconfig# 本机回环地址
ping 127.0.0.1

2. InetAddress 类

Java 提供的 InetAddress 类，用于实现网络应用程序。例如，可以获取 IP 地址。

InetAddress 类没有构造器，因此不能使用 new 关键字构造实例对象。

3. 测试 IP 地址

查询本机 IP 地址

查询本机 IP 地址的 3 种方式：

• getByName("127.0.0.1")：回环地址。
• getByName("localhost")：回环地址。
• getLocalHost()：主机名和主机的 IP 地址。

// InetAddress 是一个没有构造方法的类，所以直接用类名获取方法
// inetAddress1 就是获取到的一个 InetAddress 对象// 查询本机地址
InetAddress inetAddress1 = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
System.out.println(inetAddress1);InetAddress inetAddress3 = InetAddress.getByName("localhost");
System.out.println(inetAddress3);InetAddress inetAddress4 = InetAddress.getLocalHost();
System.out.println(inetAddress4);

查询网站 IP 地址

查询网站 IP 地址的方式：

• IP
• 域名

// 查询网站 IP 地址
InetAddress inetAddress2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
System.out.println(inetAddress2);

分析 IP 地址中的信息

注意：实际输出将依赖于 DNS 配置和当前的网络环境。

• getAddress()：返回一个字节数组，表示该 InetAddress 对象的原始 IP 地址。
• getCanonicalHostName()：返回该地址的规范主机名，即，完全限定域名，它包含了主机名和域名，可以唯一地标识网络上的一个设备或服务。
• getHostAddress()：返回该 InetAddress 对应的文本表示形式的 IP 地址，例如，192.0.2.1（点分十进制）。
• getHostName()：返回该 InetAddress 对应的主机名。如果该对象是由 IP 地址创建的，可能会进行反向 DNS 查找以确定主机名（域名）。

InetAddress inetAddress2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");// 一组地址
System.out.println(inetAddress2.getAddress());
// 规范的名字 IP
System.out.println(inetAddress2.getCanonicalHostName());
// IP
System.out.println(inetAddress2.getHostAddress());
// 域名、主机名
System.out.println(inetAddress2.getHostName());

4. 完整代码

// 测试 IP
public class TestInetAddress {public static void main(String[] args) {// InetAddress 是一个没有构造方法的类，所以直接用类名获取方法try {// 查询本机地址// inetAddress1 就是获取到的一个 ip 对象InetAddress inetAddress1 = InetAddress.getByName("127.0.0.1");System.out.println(inetAddress1);InetAddress inetAddress3 = InetAddress.getByName("localhost");System.out.println(inetAddress3);InetAddress inetAddress4 = InetAddress.getLocalHost();System.out.println(inetAddress4);// 查询网站 IP 地址InetAddress inetAddress2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println(inetAddress2);// 一组地址System.out.println(inetAddress2.getAddress());// 规范的名字 IPSystem.out.println(inetAddress2.getCanonicalHostName());// IPSystem.out.println(inetAddress2.getHostAddress());// 域名、主机名System.out.println(inetAddress2.getHostName());} catch (UnknownHostException e) {e.printStackTrace();}}
}

参考资料

狂神说 - 网络编程：https://www.bilibili.com/video/BV1LJ411z7vY

Java 8 帮助文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/