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网络通信技术实践: (1)基本知识

这是一个重在实践的计算机网络通信教程，旨在让读者快速写出相关功能的Python代码，因而没有详尽的概念与原理介绍。

IP地址

假设您是一个邮递员，您需要将包裹送至某个地方。为了完成任务，您需要知道这个地方的地址。计算机之间的通信同样要知道对方的地址，在计算机网络中，IP地址是一种常用的地址，它常常表示为x.x.x.x，其中x是0~255的整数。

实际上，IP地址（这里特指IPv4）是一个32位的无符号整数。我们更常见的IP地址形式是点分十进制的形式，例如192.168.1.1。32位的无符号整数从高位到低位每8位转为十进制数（0~255），并用点分开，即为点分十进制。

通过IP地址，我们标识了设备，使他们有了网络通信的地址。

IP地址的分类

　　按照IP地址的逻辑层次来分，IP地址可以分为A，B，C，D，E等5类。A类IP地址用于大型网络，B类IP地址用于中型网络，C类用于小规模网络，最多只能连接256台设备，D类IP地址用于多目的地址发送，E类则保留为今后使用。

  1. A类：由1字节（每个字节是8位）的网络地址和3个字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”，即第一段数字范围为1～127。每个A类地址可连接$2^{24}-2$台主机，Internet有$2^7-2=126$个A类地址。

  2. B类：由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，即第一段数字范围为128～191。每个B类地址可连接$2^{16}-2=65534$台主机，Internet有$2^{14}-2=16382$个B类地址。

  3. C类：是由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”，即第一段数字范围为192～223。每个C类地址可连接$2^8-2=254$台主机，Internet有$2^{21}-2$个C类地址。

  4. D类：不分网络地址和主机地址。第一个字节以“1110”开始，第一个字节的数字范围为224～239，是多点播送地址，用于多目的地信息的传输，和作为备用。

  5. E类：不分网络地址和主机地址。以“11110”开始，即第一段数字范围为240～254。E类地址保留，仅作实验和开发用。

内网和外网

显然，IP地址最多有$255^4$个，再扣除一些特殊地址后，远少于现在的设备数量。因此，IP地址是不够用的。为了解决这个问题，需要区分内网和外网（公网）。公网上的设备IP各不相同。内网中的多台计算机有不同的内网IP，通过网络地址转换(NAT)，它们将变成一个公网IP，从而减少对公网IP资源的占用。不同的内网中，会有相同的内网IP存在，这是很正常的。

内网中的设备可以通过NAT访问外网的设备，但是外网上的设备无法直接访问内网的中的设备。

以下IP地址专用于内网IP，公网上没有这些IP：

  1. 10.0.0.0~10.255.255.255，默认子网掩码:255.0.0.0
  2. 172.16.0.0~172.31.255.255，默认子网掩码:255.240.0.0
  3. 192.168.0.0~192.168.255.255，默认子网掩码:255.255.0.0

特殊IP地址

0.0.0.0：任意地址。表示当前子网中的所有主机。

255.255.255.255：广播地址。作为目的地址时，数据会发往当前子网的所有主机。

127.0.0.1：环回地址。作为目的地址时，数据会发给本身。其作用是测试设备自身的软件系统。

169.254.0.0/24：本地链路地址。如果一个网络设备获取IP地址的方式被设置成了自动获取方式，但是该设备在网络上又没有找到可用的DHCP服务器，那么该设备就会使用169.254.0.0/16网段的某个地址来进行临时通信。（通常表明没连上网）

端口

如果把IP地址比作一间房子 ，端口就是出入这间房子的门。真正的房子只有几个门，但是一个IP地址的端口有65536（即：$2^{16}$）个。端口是通过端口号来标记的，端口号只有整数，范围是从0 到65535（$=2^{16}-1$）。

子网掩码（选读）

子网掩码是一个32位无符号整数（也可以用点分十进制的形式表示），用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。

例如：

IP地址 子网掩码
十进制 192.168.1.1 255.255.255.0
二进制 11000000 10100000 00000001 00000001 11111111 11111111 11111111 00000000

子网掩码为1的部分所对应的IP地址的部分是网络号，子网掩码为0的部分所对应的IP地址的部分是子网中的主机号。

TCP/IP协议

所谓“协议”，是指计算机在通信过程中的共同约定。TCP/IP协议是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇，包括FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议。前面所介绍的就是IP协议。在下一节中，会介绍TCP和UDP协议。

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