GATE CS 1996 | 问题27

这是一道关于计算机网络中的IP地址转换的问题。问题的具体描述如下：

给定一个32位的IP地址，以及一个子网掩码长度，要求计算出该IP地址在对应子网中的网络地址和广播地址。

详细解答请见以下内容。

IP地址转换

通常情况下，IP地址都是以点分十进制或IPv6格式来表示的。而在网络编程中，我们需要将这些格式的地址转换成机器可以理解的二进制数字。这个过程称为IP地址转换。

在C语言中，我们可以使用inet_aton和inet_addr函数将点分十进制格式的IP地址转换成32位无符号整数，或者使用inet_ntoa函数将32位无符号整数转换成点分十进制格式的IP地址。

下面的代码展示了如何使用这些函数进行IP地址转换：

#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char* ip_str = "192.168.1.1";  // 要转换的IP地址
    uint32_t ip_int;

    // 将IP地址转换成32位无符号整数
    inet_aton(ip_str, (struct in_addr*) &ip_int);
    printf("IP地址 %s 对应的32位无符号整数为 %u\n", ip_str, ip_int);

    // 将32位无符号整数转换成IP地址
    char ip_str2[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &ip_int, ip_str2, INET_ADDRSTRLEN);
    printf("32位无符号整数 %u 对应的IP地址为 %s\n", ip_int, ip_str2);

    return 0;
}

输出结果为：

IP地址 192.168.1.1 对应的32位无符号整数为 16885952
32位无符号整数 16885952 对应的IP地址为 192.168.1.1

子网掩码

子网掩码是用来区分IP地址中网络地址部分和主机地址部分的。例如，在IP地址 192.168.1.1 中， 192.168.1 是网络地址部分， 1 是主机地址部分。子网掩码就是用来标识哪些位是网络地址部分，哪些位是主机地址部分。

子网掩码通常也用32位二进制数表示，其中网络地址部分的位被置为1，主机地址部分的位被置为0。例如，子网掩码 255.255.255.0 对应的32位二进制数为 11111111 11111111 11111111 00000000，其中前24位为1，后8位为0，对应着IP地址 192.168.1.1 中的网络地址部分。

同样地，我们也可以使用inet_aton函数将点分十进制格式的子网掩码转换成32位无符号整数，或者使用inet_ntoa函数将32位无符号整数转换成点分十进制格式的子网掩码。

下面的代码展示了如何使用这些函数进行子网掩码转换：

#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char* mask_str = "255.255.255.0";  // 要转换的子网掩码
    uint32_t mask_int;

    // 将子网掩码转换成32位无符号整数
    inet_aton(mask_str, (struct in_addr*) &mask_int);
    printf("子网掩码 %s 对应的32位无符号整数为 %u\n", mask_str, mask_int);

    // 将32位无符号整数转换成子网掩码
    char mask_str2[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &mask_int, mask_str2, INET_ADDRSTRLEN);
    printf("32位无符号整数 %u 对应的子网掩码为 %s\n", mask_int, mask_str2);

    return 0;
}

输出结果为：

子网掩码 255.255.255.0 对应的32位无符号整数为 4294967040
32位无符号整数 4294967040 对应的子网掩码为 255.255.255.0

计算子网地址和广播地址

了解了IP地址转换和子网掩码后，我们就可以进行计算子网地址和广播地址了。

首先，我们要将32位的IP地址和子网掩码分别转换成二进制数，并对它们进行按位与运算。这样得到的结果就是此IP地址所在的网络地址。例如，假设要计算 192.168.1.1/24 这个IP地址在对应子网中的网络地址，那么我们需要先将 192.168.1.1 和 255.255.255.0 转换成二进制数，然后进行按位与运算得到 192.168.1.0。

接着，我们就可以根据子网掩码的规律计算出该子网的广播地址了。子网广播地址用来将数据包发送到网络上的所有主机，它的计算方法是将子网地址的主机地址部分全部置为1。例如，对于前面计算得出的子网地址 192.168.1.0，其广播地址就为 192.168.1.255。

下面的代码展示了如何使用C语言计算给定IP地址和子网掩码对应子网的网络地址和广播地址：

#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main() {
    char* ip_str = "192.168.1.1";  // IP地址
    char* mask_str = "255.255.255.0";  // 子网掩码
    uint32_t ip_int, mask_int;

    // 将IP地址和子网掩码转换成32位无符号整数
    inet_aton(ip_str, (struct in_addr*) &ip_int);
    inet_aton(mask_str, (struct in_addr*) &mask_int);

    // 计算网络地址
    uint32_t net_addr = ip_int & mask_int;
    char net_addr_str[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &net_addr, net_addr_str, INET_ADDRSTRLEN);
    printf("IP地址 %s 在子网 %s 中的网络地址为 %s\n", ip_str, mask_str, net_addr_str);

    // 计算广播地址
    uint32_t broadcast_addr = net_addr | ~mask_int;
    char broadcast_addr_str[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &broadcast_addr, broadcast_addr_str, INET_ADDRSTRLEN);
    printf("IP地址 %s 在子网 %s 中的广播地址为 %s\n", ip_str, mask_str, broadcast_addr_str);

    return 0;
}

输出结果为：

IP地址 192.168.1.1 在子网 255.255.255.0 中的网络地址为 192.168.1.0
IP地址 192.168.1.1 在子网 255.255.255.0 中的广播地址为 192.168.1.255

总结

本篇文章详细介绍了计算给定IP地址和子网掩码对应子网的网络地址和广播地址的方法。除此之外，还介绍了命令inet_aton、inet_ntoa、inet_ntop以及C语言中的按位与、按位或运算等概念。这些知识对于理解计算机网络和网络编程具有重要意义，希望能够对读者有所帮助。