今天從Python/ target=_blank class=infotextkey>Python的角度來聊下計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)這行基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)的話題：網(wǎng)絡(luò)和IP地址計算（注：本文里的IP指的是IPv4，不涉及IPv6）。相信幾乎每位網(wǎng)工讀者在平時的工作和學(xué)習(xí)中都用過類似下圖的在線網(wǎng)絡(luò)和IP地址計算器吧：

這類前人（或者說碼農(nóng)們）造出的輪子的確很好用，但是很少有網(wǎng)工明白它們背后的工作原理（也就是代碼是怎么寫出來的）。作為有志成?.NETDevOps Engineer的我們有必要深入的從代碼的角度來學(xué)習(xí)一下，不妨自己也用Python從零寫一個交互式的網(wǎng)絡(luò)和IP地址計算器，重新造一遍輪子，一來可以溫故知新，二來可以幫助我們更深入的了解二進(jìn)制和十進(jìn)制在Python里是怎么玩的。該交互式計算器的作用是讓用戶輸入一個合法的IP地址及子網(wǎng)掩碼，然后根據(jù)用戶輸入的信息自動給出用戶查詢的網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)IP、廣播IP、網(wǎng)段內(nèi)可用的IP地址數(shù)、反掩碼以及用戶輸入的子網(wǎng)掩碼對應(yīng)的“/”格式的掩碼位（比如用戶輸入的掩碼是255.255.128.0，計算器會自動在結(jié)果中給出/17的掩碼位）。

因為是所有網(wǎng)工必須掌握的基本功，為了節(jié)約篇幅，下面我只高度概括一下網(wǎng)絡(luò)和IP地址計算的理論要點，我們重點要關(guān)注的是如何在Python中實現(xiàn)它們（所有演示我都將在解釋器里實時完成，讓讀者更清楚的看到十進(jìn)制和二進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換在Python中是怎樣完成的）大致可以歸納為A,B,C,D,E總共5個點，分述如下：

A.

我們知道任何一個合法的IP地址和子網(wǎng)掩碼都可以用32位的二進(jìn)制（binary）表示，這32位二進(jìn)制又被分為4個八位位組（octet），比如192.168.1.1用二進(jìn)制可以寫成11000000.10101000.00000001.00000001，這個轉(zhuǎn)換步驟在Python中實現(xiàn)的方法如下：

這里我們用字符串自帶的split()函數(shù)將ip地址（字符串‘192.168.1.1'）轉(zhuǎn)換成列表ip_octets，然后創(chuàng)建一個空列表ip_octets_binary，隨后用for循環(huán)遍歷ip_octets里的元素，將它們每個用bin()函數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式，然后一一寫入剛才創(chuàng)建的空列表ip_octets_binary里面。
關(guān)于binary_octet = bin(int(octet)).lstrip('0b')，bin()只能將數(shù)據(jù)類型為整數(shù)的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，因此這里我們要先將字符串用int()轉(zhuǎn)換成整數(shù)后再來調(diào)用bin()函數(shù)，而bin()函數(shù)本身會在轉(zhuǎn)化后的二進(jìn)制數(shù)字前面加上'0b'，我們必須調(diào)用lstrip('0b')將其拿掉，演示如下:

再來看ip_octets_binary.Append(binary_octet.zfill(8))中的zfill(8)，它的作用是自動幫我們填充八位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)，什么意思呢？比如我們有個IP地址192.168.0.1，它的第三個八位組為0，寫成二進(jìn)制的話應(yīng)該為00000000，如果我們將0用bin()轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后會怎么樣呢？演示如下：

是不是只得到了一位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)0？加上zfill(8)后即得到八位組的二進(jìn)制00000000，效果如下：

同樣的代碼也適用于子網(wǎng)掩碼，比如在Python中要將255.255.255.0這個掩碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式，代碼可以這么寫：

B.

知道如何在Python里將十進(jìn)制的IP地址和子網(wǎng)掩碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后，我們再來看下如何將二進(jìn)制的IP地址和子網(wǎng)掩碼轉(zhuǎn)換回十進(jìn)制（代碼接續(xù)前文）：

這里只講一點，在Python中我們可以借助int()函數(shù)里的2這個參數(shù)將數(shù)據(jù)類型為字符串的二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)類型為整數(shù)的十進(jìn)制數(shù)字，舉例如下：

同樣的道理，我們可以將二進(jìn)制形式的子網(wǎng)掩碼轉(zhuǎn)換回十進(jìn)制：

C.

我們知道要算出一個網(wǎng)段內(nèi)有多少可用的IP地址需要知道該網(wǎng)段的子網(wǎng)掩碼以二進(jìn)制表達(dá)時里面有多少個0 （number of zeros，在Python中我們將其賦值給變量no_of_zeros)，然后套用公式2 ** no_of_zeros - 2即可算出，比如這里給定的子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制為1111111.1111111.11111111.00000000，總共8個0，那么2**8-2 = 254，即為我們要的結(jié)果，這個運算過程在Python中的計算方式如下（代碼接前文）：

這里我們用abs()這個絕對值函數(shù)來計算有多少可用的IP地址，原因是當(dāng)子網(wǎng)掩碼為/32 (255.255.255.255）時，no_of_zeros = 0，如果不用abs()的話， 2 ** 0 - 2 結(jié)果為負(fù)1，用abs()則可以將其轉(zhuǎn)換成正1，演示如下：

我們知道網(wǎng)絡(luò)IP和廣播IP是兩個很重要的概念，在給定一個IP地址及其子網(wǎng)掩碼后，計算該網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)IP和廣播IP的方法想必大家都知道，即將IP地址和子網(wǎng)掩碼分別轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，然后將兩者對比，看子網(wǎng)掩碼的二進(jìn)制有多少個1，那么IP地址的二進(jìn)制就從左至右保留多少位，剩下的部分全部以0填充，即可得到網(wǎng)絡(luò)IP的二進(jìn)制地址，如果剩下部分全部以1填充，則得到廣播IP的二進(jìn)制地址（這里就不畫圖演示了，這些都是網(wǎng)工最最最基礎(chǔ)的知識點，不懂的回去把CCENT或CCNA的書重新翻出來讀）。下面我們在Python中演示如何實現(xiàn)找出一個指定IP所在網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)IP和廣播IP（代碼接前文，以前文給定的IP地址192.168.1.1和子網(wǎng)掩碼255.255.255.0為例）：

在使用上面提到的填充0的方法得到了網(wǎng)絡(luò)IP的二進(jìn)制地址（11000000101010000000000100000000）后，為了將它轉(zhuǎn)換成四個八位組的十進(jìn)制形式，這里我們巧用for循環(huán)配合range(0,32,8)來將該網(wǎng)絡(luò)IP的二進(jìn)制地址切成四段，每段含8個二進(jìn)制數(shù)字，作為元素被依次添加進(jìn)net_ip_octets這個空列表，最后使用帶參數(shù)2的int()函數(shù)將它們轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，然后再將這四個十進(jìn)制數(shù)字作為元素依次添加進(jìn)net_ip_address這個空列表，最后配合".".join()將給列表轉(zhuǎn)化為字符串，即得到了網(wǎng)絡(luò)IP：192.168.1.0

依葫蘆畫瓢，從下面這段代碼中我們又得到了廣播IP: 192.168.1.255

E.

最后我們來談?wù)劮囱诖a，所謂反掩碼就是將子網(wǎng)掩碼的二進(jìn)制里的1換成0，將0換成1，比如255.255.255.0的二進(jìn)制為11111111.11111111.11111111.00000000，它的反掩碼即為00000000.00000000.00000000.11111111，也就是0.0.0.255。在Python里我們可以這樣表示（代碼接上文）：

最后來看下該交互式的網(wǎng)絡(luò)和IP地址計算器的最終代碼：

#coding=utf-8
import sys
try:    while True: #判斷用戶輸入的IP是否符合規(guī)范，如果不規(guī)范則while循環(huán)反復(fù)詢問，直到用戶輸入正確IP地址為止。        ip_address = input("輸入要查詢的IP地址: ")          
        ip_octets = ip_address.split('.') #將IP地址用split()轉(zhuǎn)換成列表，該列表有4個元素，分別代表用戶輸入的IP地址的4個8位字段。
        #0.0.0.0/8, 127.0.0.0/8, 169.254.0.0/16以及Class D這些保留IP地址均不是有效的IP
        if (len(ip_octets) == 4) and (1 <= int(ip_octets[0]) <= 223) and (int(ip_octets[0]) != 127) and (int(ip_octets[0]) != 169 or int(ip_octets[1]) != 254) and (0 <= int(ip_octets[1]) <= 255 and 0 <= int(ip_octets[2]) <= 255 and 0 <= int(ip_octets[3]) <= 255):
            break
        else:
            print("n不是有效的IP地址，請重新輸入n")
            continue
    masks = [255, 254, 252, 248, 240, 224, 192, 128, 0] #將所有有效的子網(wǎng)掩碼的十進(jìn)制數(shù)字歸納進(jìn)一個列表，用于驗證用戶輸入的子網(wǎng)掩碼是否合乎規(guī)范
    while True: #判斷用戶輸入的子網(wǎng)掩碼是否符合規(guī)范，如果不規(guī)范則while循環(huán)反復(fù)詢問，直到用戶輸入正確子網(wǎng)掩碼為止。        subnet_mask = input("輸入子網(wǎng)掩碼: ")        
        mask_octets = subnet_mask.split('.') #將子網(wǎng)掩碼用split()轉(zhuǎn)換成列表，該列表有4個元素，分別代表用戶輸入的子網(wǎng)掩碼的4個8位字段。
        #支持/0 - /32所有子網(wǎng)掩碼
        if (len(mask_octets) == 4) and (int(mask_octets[0]) in masks) and (int(mask_octets[1]) in masks) and (int(mask_octets[2]) in masks) and (int(mask_octets[3]) in masks) and (int(mask_octets[0]) >= int(mask_octets[1]) >= int(mask_octets[2]) >= int(mask_octets[3])):
            break
        else:
            print("n不是有效的子網(wǎng)掩碼，請重新輸入n")
            continue
    mask_octets_binary = []    for octet in mask_octets:
        binary_octet = bin(int(octet)).lstrip('0b')
        #print(binary_octet)
        mask_octets_binary.append(binary_octet.zfill(8))
    #print(mask_octets_binary)
    binary_mask = "".join(mask_octets_binary)
    #print(decimal_mask)   
    no_of_zeros = binary_mask.count("0")
    no_of_ones = 32 - no_of_zeros
    no_of_hosts = abs(2 ** no_of_zeros - 2) #當(dāng)掩碼為/32時，2的0次方減1等于-1，需要用abs()函數(shù)將其轉(zhuǎn)換成正數(shù)1.
    #print(no_of_zeros)
    #print(no_of_ones)
    #print(no_of_hosts)
    wildcard_octets = []    for octet in mask_octets:
        wild_octet = 255 - int(octet)
        wildcard_octets.append(str(wild_octet))
    #print(wildcard_octets)
    wildcard_mask = ".".join(wildcard_octets)
    #print(wildcard_mask)
    ip_octets_binary = []    for octet in ip_octets:
        binary_octet = bin(int(octet)).lstrip('0b')
        #print(binary_octet)
        ip_octets_binary.append(binary_octet.zfill(8))
    #print(ip_octets_binary)
    binary_ip = "".join(ip_octets_binary)
    #print(binary_ip)   
    network_address_binary = binary_ip[:(no_of_ones)] + "0" * no_of_zeros
    #print(network_address_binary)
    broadcast_address_binary = binary_ip[:(no_of_ones)] + "1" * no_of_zeros
    #print(broadcast_address_binary)
    net_ip_octets = []    for bit in range(0, 32, 8):
        net_ip_octet = network_address_binary[bit: bit + 8]
        net_ip_octets.append(net_ip_octet)
    #print(net_ip_octets)
    net_ip_address = []    for each_octet in net_ip_octets:
        net_ip_address.append(str(int(each_octet, 2)))
    #print(net_ip_address)
    network_address = ".".join(net_ip_address)
    #print(network_address)
    bst_ip_octets = []    for bit in range(0, 32, 8):
        bst_ip_octet = broadcast_address_binary[bit: bit + 8]
        bst_ip_octets.append(bst_ip_octet)
    #print(bst_ip_octets)
    bst_ip_address = []    for each_octet in bst_ip_octets:
        bst_ip_address.append(str(int(each_octet, 2)))
    #print(bst_ip_address)
    broadcast_address = ".".join(bst_ip_address)
    #print(broadcast_address)
        print("n")
    print("該網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)地址為: %s" % network_address)
    print("該網(wǎng)段的廣播地址為: %s" % broadcast_address)
    print("該網(wǎng)段可用的IP地址數(shù)量為: %s" % no_of_hosts)
    print("反掩碼: %s" % wildcard_mask)
    print("掩碼位: %s" % no_of_ones)
    print("n")
    print(input())
except KeyboardInterrupt:    print("nn程序終止n")
    sys.exit()