LV010-IP地址与子网掩码

一、 IPv4 地址与掩码基础

1. 点分十进制与 32 位二进制

IPv4 地址本质上是一个 32 位二进制数。为了好写，习惯按 8 位一组转成十进制，用点隔开，叫"点分十进制"：

192 . 168 . 16 . 30
 ↓      ↓     ↓     ↓
11000000 10101000 00010000 00011110

这 32 位被分成两部分：

• 网络号：前面若干位，标识"在哪个网络里"；
• 主机号：后面若干位，标识"网络里的哪台设备"。

分界点在哪，由子网掩码决定。本项目的板子地址是 192.168.16.30，掩码 255.255.255.0，下面都用这一组来推演。

2. 子网掩码：一把"量出网络号"的尺子

掩码的规则很简单：

• 1 的位置表示"这一位属于网络号"；
• 0 的位置表示"这一位属于主机号"；
• 掩码里 1 必须连续，中间不能断开。

掩码	二进制	网络号位数	CIDR 写法
255.0.0.0	11111111.00000000.00000000.00000000	8	/8
255.255.0.0	11111111.11111111.00000000.00000000	16	/16
255.255.255.0	11111111.11111111.11111111.00000000	24	/24
255.255.255.192	…11111111.11000000	26	/26

3. CIDR 写法

"CIDR 写法"就是斜杠加网络号位数。192.168.16.30/24 和"IP 加写全掩码"是同一件事的两种表达，两者完全等价。

注意掩码位数不一定是 8 的倍数：/26 表示前 26 位是网络号，剩下的 6 位是主机号，此时掩码的写法要靠位数反推，而不是靠"哪一段是 255"来判断。

二、 判断"在不在同一个网段"

1. 按位与运算

这是网络配置里最常用、也最容易被忽略的一次计算。规则是把 IP 和掩码逐位做与运算，得到"网络地址"：

      192.168.16.30      11000000.10101000.00010000.00011110
  &   255.255.255.0     11111111.11111111.11111111.00000000
  -----------------------------------------------------------
      192.168.16.0      11000000.10101000.00010000.00000000   ← 网络地址

再看 PC 侧。假设 PC 配的是 192.168.16.100：

      192.168.16.100    11000000.10101000.00010000.01100100
  &   255.255.255.0     11111111.11111111.11111111.00000000
  -----------------------------------------------------------
      192.168.16.0      ← 与板子的网络地址相同 ⇒ 同一个网段

如果 PC 图省事填了 192.168.17.100：

      192.168.17.100  &  255.255.255.0  =  192.168.17.0  ≠  192.168.16.0

网络地址不同，就不在同一个网段。同网段才能直接互相通信，不同网段必须经过路由器——这正是 LV015-网关与跨网段通信 要讲的事。

2. 一个更直观的判断法

不用每次都做二进制运算，记住这一条就够用：

掩码是 /24 时，看前三段数字是否完全相同。

192.168.16.30 与 192.168.16.100 前三段都是 192.168.16，所以同网段。

3. 掩码写错的典型现象

掩码不是 /24 时（比如 /26），就不能只看"段"了，必须回到按位与。这是"掩码写错"为什么会导致"看起来地址是对的，就是不通"：

（1）两边掩码不一致。板子按 /24 认为 192.168.16.30 与 192.168.16.130 同网段，PC 却按 /26 认为不同网段，于是 PC 把包发给了网关，而直连场景下这个网关根本不存在。

（2）掩码写成了非连续 1。比如 255.255.0.255。这种掩码在 PC 上通常直接被拒绝，在嵌入式侧则可能被静默接受，算出谁都看不懂的网络地址。

（3）只改 IP 没改掩码。把板子从 192.168.16.30 改成 192.168.1.30 却忘了同步 PC 的掩码，两边算出的网络地址自然对不上。

所以排查"ping 不通"时，第一步就是两边并排核对 IP 与掩码四个数字，而不是去查网关。

三、 几个必须记住的特殊地址

1. 网络地址与广播地址

以 192.168.16.0/24 为例（主机号 8 位，共 256 个地址）：

名称	怎么来的	具体值	能不能分配给设备
网络地址	主机位全 0	192.168.16.0	不能，代表"这个网络本身"
广播地址	主机位全 1	192.168.16.255	不能，代表"本网段所有设备"
可用主机地址	其余	192.168.16.1 ~ 192.168.16.254	可以，共 254 个

还有一个不能忘：网关地址必须是同网段内的一台设备。所以 192.168.16.1 这种"网段内第一个可用地址"成了家用路由器的惯例。

2. 私有地址

下面这几个网段被 RFC 1918 划为私有地址，只能在内网用，不能在公网上被路由：

范围	掩码	可用地址数
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255	/8	约 1677 万
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255	/12	约 104 万
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255	/16	约 6.5 万

这样做的好处是"内网地址可以重复使用"：你家用 192.168.16.x，邻居家也可以用 192.168.16.x，互不冲突——因为出门就换成公网地址了，机制见 LV015-网关与跨网段通信 第四节。

3. 回环、链路本地与 0.0.0.0

网段	用途
127.0.0.0/8	回环地址（127.0.0.1 就是"本机"）
169.254.0.0/16	链路本地地址，没拿到 IP 时自动使用（见 LV040-DHCP与IP地址自动获取 第五节）
0.0.0.0/8	表示"本机/任意"，DHCP 客户端起步时用它做源地址

四、 网关：不同网段时该找谁

1. 两条转发规则

网关（默认网关）就是"出了本网段之后，第一站交给谁"。 规则很清晰：

目的 IP 与我在同一网段  →  直接 ARP 目的 IP，自己把帧发出去
目的 IP 与我不同网段    →  把帧发给网关（目的 MAC 用网关的 MAC）

2. 两个必须理解的点

（1）网关本身必须在同一网段内。因为要发给它，就得先 ARP 出它的 MAC；跨网段的设备是 ARP 不到的。

（2）同网段通信根本不看网关。这点很关键——直连实验里板子和 PC 是 192.168.16.30 / 192.168.16.100，全程走直连路由，网关填不填、填得对不对，都不影响 ping。

所以遇到"ping 不通"时，第一件事是核对两边是否同网段，而不是先去查网关。网关本身的完整机制（路由表、最长前缀匹配、跨网段时帧头怎么变）见 LV015-网关与跨网段通信。

五、 本项目的网络参数

1. 参数写在哪

三个值都写在 atk-f103/Components/lwip-2.1.3/port/lwip_comm.h 里，改地址要重新编译：

参数	值	作用
本机 IP	192.168.16.30	板子自己的地址
子网掩码	255.255.255.0	决定"哪些地址算同网段"
网关	192.168.16.1	跨网段时的第一站；本实验直连用不到

在 lwip_comm.h 里它们是按字节定义的宏（LWIP_LOCAL_IP0 ~ LWIP_LOCAL_IP3 等），初始化时由 IP4_ADDR() 拼成 lwIP 的地址结构。

2. 为什么选 192.168.16.x

为什么故意选 192.168.16.x 这个不常见的网段？因为它和家用路由器默认的 192.168.1.x / 192.168.0.x 错开。如果把板子设成 192.168.1.30，那么当你把板子接到家里路由器上时，很可能与路由器自己的地址段撞车，排查起来会多一层麻烦。

3. 参数是怎么被用上的

lwip_comm_init() 里的顺序是"先认网卡、再起协议栈、最后登记接口"：

// Components/lwip-2.1.3/port/lwip_comm.c
if (DM9000_Init() != 0U) { return LWIP_COMM_DM9000_ERR; }   /* 先认卡 */
lwip_init();                                                 /* 再起协议栈 */
IP4_ADDR(&ipaddr, LWIP_LOCAL_IP0, LWIP_LOCAL_IP1, LWIP_LOCAL_IP2, LWIP_LOCAL_IP3);
IP4_ADDR(&netmask, ...); IP4_ADDR(&gw, ...);                 /* 填三个参数 */
netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, ethernet_input);
netif_set_default(&gnetif); netif_set_up(&gnetif);

这套流程的每一行为什么这么排，见 LV015-lwIP配置与初始化 第四节。

六、 小结与参考资料

1. 本篇小结

• IPv4 是 32 位，分成网络号与主机号，分界由掩码决定；掩码写全与 CIDR 写法等价。
• 判断同网段的方法是 IP & 掩码，比较得到的网络地址；/24 时可以直接看前三段。
• 网络地址、广播地址不能分配给设备；网关必须是同网段设备。
• 私有地址（含 192.168.0.0/16）用于内网，出门靠 NAT。
• 同网段不走网关：排查"不通"要先核对网段，而不是先怀疑网关。
• 本工程把 IP、掩码、网关写成 lwip_comm.h 里的宏，选 192.168.16.x 是为了避开家用路由器的常用网段。

2. 参考资料

• 本工程网络参数：lwip_comm.h
• 网络参数打印与初始化：lwip_comm.c
• 地址处理实现：ip4_addr.c
• 实验中的实际使用：LV020-网络通信实验 第一节

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