CIDR转IP段：原理Java实现

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CIDR转IP段：原理&Java实现

一、CIDR 的核心概念

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）是一种用于高效分配和管理 IP 地址的网络编址方法。它取代了传统的 IP 地址分类（A/B/C 类），通过灵活的网络前缀长度（子网掩码）实现更精细的地址划分和路由聚合，显著提高了 IP 地址的利用率，并减少了路由表规模。

1. 传统 IP 分类的局限性

• A/B/C 类地址：传统方式将 IP 地址划分为固定类别（如 A 类：/8，B 类：/16，C 类：/24）。
• 问题：地址分配不灵活。例如，一个需要 500 个 IP 的机构必须申请一个 B 类地址（65,536 个 IP），造成大量浪费。

2. CIDR 的解决方案

• 无类别划分：不再依赖固定类别，允许任意长度的网络前缀（如 /17、/22）。
• 格式：IP地址/前缀长度（例如 192.168.1.0/24），其中：
  • 前缀长度：表示网络部分的位数（如 /24 表示前 24 位是网络地址）。
  • 主机部分：剩余位数用于主机地址（如 /24 的主机部分有 8 位，支持 256 个 IP）。

CIDR 是现代互联网的基础技术，解决了传统 IP 分类的僵化问题，通过灵活的网络前缀管理和路由聚合，显著提升了 IP 地址的使用效率，是网络规划和运维的核心工具。

二、实现原理分析

那如何用Java来实现 “CIDR转IP段” 呢？

2.1 将IP地址和掩码分开处理

比如输入的字符串需要拆分成IP部分和掩码位数。比如"221.236.192.0/21"需要拆分成IP地址221.236.192.0和掩码21。

2.2 将IP地址转换为32位的整数形式

例如，将每个部分（四个八位组）转换为二进制，拼接成一个32位的整数。比如，221.236.192.0转换成二进制后，再计算其整数形式。

2.3 根据掩码位数计算子网掩码

掩码21位的话，子网掩码的前21位是1，后面是0。可以用位运算来生成这个掩码。例如，子网掩码的整数形式是0xFFFFFFFF << (32 - 21)，然后和0xFFFFFFFF进行与操作，确保高位正确。

网络地址可以通过将IP地址的整数形式与子网掩码进行按位与运算得到。起始IP就是这个网络地址。

广播地址是网络地址的主机部分全置1。可以通过将网络地址与子网掩码的反码按位或得到。结束IP就是广播地址。

然后需要将这两个整数形式的起始和结束IP转换回点分十进制的字符串形式。比如，将整数拆分成四个八位组，每个部分转换成十进制数，拼接成IP字符串。

2.4 程序方法实现步骤

可能需要注意的细节：

1. 输入验证：确保CIDR格式正确，IP各部分在0-255之间，掩码位数在0-32之间。

2. 处理IP转换时的整数溢出问题，Java中应该使用long类型来处理32位无符号整数，避免符号位的问题。

3. 转换IP地址时，特别是处理每个八位组的时候，要注意移位和位掩码的正确使用。

4. 测试边界情况，比如掩码为32时，起始和结束IP相同；掩码为0时，整个地址范围是0.0.0.0到255.255.255.255。

现在，具体步骤：

1. 拆分输入字符串为IP和掩码部分。

String[] parts = cidr.split("/");

String ip = parts[0];

int prefix = Integer.parseInt(parts[1]);

2. 将IP地址转换为32位整数（使用long避免符号问题）。

String[] octets = ip.split("\\.");

long ipLong = (Long.parseLong(octets[0]) << 24) |

(Long.parseLong(octets[1]) << 16) |

(Long.parseLong(octets[2]) << 8) |

Long.parseLong(octets[3]);

3. 计算子网掩码。

long mask = 0xFFFFFFFFL << (32 - prefix);

4. 计算网络地址（起始IP）。

long startIp = ipLong & mask;

5. 计算广播地址（结束IP）。

long endIp = startIp | (~mask);

但是，这里要注意，Java中的位运算~会反转所有64位，所以需要用0xFFFFFFFFL来掩码，只保留低32位：

long endIp = startIp | (~mask & 0xFFFFFFFFL);

6. 将startIp和endIp转换为点分十进制字符串。

private static String longToIp(long ip) {
	return String.format("%d.%d.%d.%d",
		(ip >> 24) & 0xFF,
		(ip >> 16) & 0xFF,
		(ip >> 8) & 0xFF,
		ip & 0xFF);
}

7. 封装结果到Map中。

Map<String, String> result = new HashMap<>();
result.put("start", longToIp(startIp));
result.put("end", longToIp(endIp));

然后需要考虑输入验证，比如检查parts的长度是否为2，prefix是否在0到32之间，IP是否有四个八位组，每个数值是否在0-255之间。

综上，编写的方法应该包括：

• 输入验证，确保CIDR格式正确，IP各段有效，掩码有效。

• 转换IP为长整型。

• 计算子网掩码、网络地址和广播地址。

• 转换回IP字符串。

• 封装结果到Map中。

可能还需要处理一些异常，比如NumberFormatException，这时候可能需要抛出IllegalArgumentException，或者返回null，但用户可能需要一个健壮的方法。在示例代码中，可能简化处理，假设输入是正确的，或者添加必要的验证。

现在，根据以上分析，编写Java代码。

三、Java代码完整实现：

以下是实现该功能的 Java 方法，包含详细注释和输入验证：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class CidrConverter {

    public static Map<String, String> splitCidr(String cidr) {
        Map<String, String> result = new HashMap<>();

        // 验证输入格式（例如 "221.236.192.0/21"）
        if (!cidr.matches("^(\\d+\\.){3}\\d+/\\d+$")) {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid CIDR format");
        }

        String[] parts = cidr.split("/");
        String ipAddress = parts[0];
        int prefixLength = Integer.parseInt(parts[1]);

        // 验证子网掩码位数
        if (prefixLength < 0 || prefixLength > 32) {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid prefix length");
        }

        // 将IP地址转换为32位整数（用long避免符号问题）
        String[] ipOctets = ipAddress.split("\\.");
        if (ipOctets.length != 4) {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid IP address");
        }

        long ipLong = 0;
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            int octet = Integer.parseInt(ipOctets[i]);
            if (octet < 0 || octet > 255) {
                throw new IllegalArgumentException("Invalid IP octet");
            }
            ipLong |= (long) octet << (24 - (8 * i));
        }

        // 计算子网掩码
        long mask = 0xFFFFFFFFL << (32 - prefixLength);

        // 计算起始IP（网络地址）
        long startIp = ipLong & mask;

        // 计算结束IP（广播地址）
        long endIp = startIp | (~mask & 0xFFFFFFFFL);

        // 转换为点分十进制字符串
        result.put("start", longToIp(startIp));
        result.put("end", longToIp(endIp));

        return result;
    }

    // 将32位整数转换为IP字符串
    private static String longToIp(long ip) {
        return ((ip >> 24) & 0xFF) + "." +
               ((ip >> 16) & 0xFF) + "." +
               ((ip >> 8) & 0xFF) + "." +
               (ip & 0xFF);
    }

    // 测试用例
    public static void main(String[] args) {
        String cidr = "221.236.192.0/21";
        Map<String, String> ipRange = splitCidr(cidr);
        System.out.println("起始IP: " + ipRange.get("start")); // 221.236.192.0
        System.out.println("结束IP: " + ipRange.get("end"));   // 221.236.199.255
    }
}

代码说明

1. 输入验证

   • 使用正则表达式检查 CIDR 格式合法性
   • 验证子网掩码位数范围 (0-32)
   • 检查 IP 地址的四个八位组是否合法 (0-255)

2. 核心计算逻辑

   • 将 IP 地址转换为 32 位整数（使用 long 避免符号问题）
   • 通过位运算计算子网掩码、网络地址和广播地址

3. 示例测试

   • 输入 221.236.192.0/21 时，输出：

     起始IP: 221.236.192.0
     结束IP: 221.236.199.255
     

关键公式

• 子网掩码：mask = 0xFFFFFFFFL << (32 - prefixLength)
• 网络地址：startIp = ipLong & mask
• 广播地址：endIp = startIp | (~mask & 0xFFFFFFFFL)

注意事项

• 输入合法性：需确保 CIDR 格式正确（例如 192.168.1.0/24）
• 性能优化：位运算直接操作内存，效率极高
• 大地址处理：使用 long 避免 int 的符号问题