Выполнение подсетей IP и двоичного преобразования в терминале Linux

Введение

В этой лабораторной работе вы освоите основные навыки подсетирования IP-адресов и двоичного преобразования с использованием командной строки Linux. Используя интерактивный интерпретатор Python, вы получите практический опыт выполнения фундаментальных расчетов, лежащих в основе компьютерных сетей, переходя от теоретических знаний к практическому применению в терминальной среде.

Вы начнете с преобразования IP-адресов из привычной десятично-точечной нотации в их 32-битное двоичное представление и обратно. Затем лабораторная работа проведет вас через перевод CIDR-масок подсети в их двоичные и десятично-точечные эквиваленты. Наконец, вы примените эти навыки для определения сетевой и хостовой частей заданного IP-адреса и расчета общего количества доступных для использования хостов и подсетей в пределах определенного CIDR-блока.

Выполнение преобразований IP-адресов и масок подсети в Python

На этом этапе вы будете использовать интерактивный интерпретатор Python для выполнения нескольких ключевых сетевых преобразований. Вы научитесь преобразовывать IP-адреса между десятично-точечным и двоичным форматами, а также переводить CIDR-маски подсети в их полные двоичные и десятично-точечные представления. Все это будет сделано в одном непрерывном сеансе для оптимизации процесса.

IPv4-адрес — это 32-битное число. Чтобы сделать его читаемым для человека, он представляется в виде четырех 8-битных чисел, называемых октетами, разделенных точками (например, 192.168.1.10). Каждый из этих октетов может быть преобразован в 8-битное двоичное число.

Сначала откроем терминал и запустим интерактивный интерпретатор Python. В среде LabEx Python предустановлен. Введите python3 и нажмите Enter.
```
python3
```
Вы увидите новый приглашение >>>, которое указывает, что вы находитесь внутри интерпретатора Python.
```
Python 3.10.x (...)
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>
```

Преобразование IP-адреса из десятично-точечного в двоичный

Попрактикуемся в преобразовании одного десятичного числа в его двоичную форму. Мы будем использовать встроенную функцию Python bin(). Например, чтобы преобразовать число 192, введите следующее в приглашении Python:
```
bin(192)
```
Python вернет двоичное представление с префиксом 0b, указывающим, что это двоичное число.
```
'0b11000000'
```
Двоичный эквивалент 192 — 11000000.
Теперь применим это к полному IP-адресу, например, 192.168.1.10. Нам нужно преобразовать каждый октет (192, 168, 1 и 10) по отдельности. Важное правило в IP-адресации заключается в том, что каждый октет должен быть представлен ровно 8 битами. Если двоичное число имеет менее 8 бит, его необходимо дополнить ведущими нулями.

Преобразуем каждую часть:
- Для 192: bin(192) дает '0b11000000'. Это уже 8 бит: 11000000.
- Для 168: bin(168) дает '0b10101000'. Это также 8 бит: 10101000.
- Для 1: bin(1) дает '0b1'. Мы должны дополнить его до 8 бит: 00000001.
- Для 10: bin(10) дает '0b1010'. Мы должны дополнить его до 8 бит: 00001010.
Объединив их, вы получите полное 32-битное двоичное представление IP-адреса 192.168.1.10:

11000000.10101000.00000001.00001010

Преобразование двоичного IP-адреса обратно в десятично-точечный

Теперь выполним обратную операцию. Для преобразования двоичного числа в десятичное мы будем использовать функцию Python int(). Эта функция может принимать два аргумента: первый — число в виде строки, а второй — основание этой системы счисления. Поскольку мы преобразуем из двоичной системы (основание 2), мы всегда будем использовать 2 в качестве второго аргумента.

Попробуем преобразовать один двоичный октет, 10101000, в десятичный.
```
int('10101000', 2)
```
Python выполнит преобразование и отобразит десятичный результат.
```
168
```
Теперь преобразуем полный 32-битный двоичный IP-адрес из предыдущего шага: 11000000.10101000.00000001.00001010. Вам нужно будет преобразовать каждый 8-битный октет по одному.
- Преобразуем первый октет: int('11000000', 2), что дает 192.
- Преобразуем второй октет: int('10101000', 2), что дает 168.
- Преобразуем третий октет: int('00000001', 2), что дает 1.
- Преобразуем четвертый октет: int('00001010', 2), что дает 10.
Объединив эти результаты с точками, вы получите исходный десятично-точечный IP-адрес: 192.168.1.10. Это подтверждает правильность ваших преобразований в обоих направлениях.

Перевод CIDR-маски подсети в ее двоичную и десятично-точечную форму

Маска подсети — это 32-битное число, которое отличает сетевую часть IP-адреса от части хоста. CIDR (Classless Inter-Domain Routing — бесклассовая междоменная маршрутизация) — это сокращенный способ представления маски подсети.

Например, обозначение CIDR /24 означает, что первые 24 бита 32-битной маски подсети равны 1, а оставшиеся биты — 0.

Определим двоичное и десятично-точечное представление для маски подсети /24.
- Двоичное: Маска /24 имеет 24 последовательных 1, за которыми следуют 32 - 24 = 8 0. При разбиении на октеты она выглядит так: 11111111.11111111.11111111.00000000
Теперь преобразуем эту двоичную маску в ее десятично-точечную форму. Первый октет состоит из одних единиц, 11111111.
```
int('11111111', 2)
```
Результатом будет 255. Последний октет состоит из одних нулей, 00000000.
```
int('00000000', 2)
```
Результатом будет 0. Следовательно, маска подсети /24 в десятично-точечной нотации — 255.255.255.0.
Попробуем более сложный пример, например, /26.
- Двоичное: Маска /26 имеет 26 1, за которыми следуют 32 - 26 = 6 0. 11111111.11111111.11111111.11000000
- Первые три октета состоят из одних 1, что, как мы знаем, равно 255. Преобразуем последний октет, 11000000, в десятичное число.
```
int('11000000', 2)
```
Результатом будет 192. Таким образом, маска подсети /26 в десятично-точечной нотации — 255.255.255.192.
После завершения преобразований вы можете выйти из интерпретатора Python и вернуться в обычное приглашение терминала, введя exit() и нажав Enter.
```
exit()
```

Теперь вы освоили двустороннее преобразование между десятично-точечными и двоичными IP-адресами, а также CIDR-масками подсети — это ключевой навык для любого сетевого специалиста.

Определение сетевой и хостовой частей IP-адреса

На этом этапе вы примените свои знания масок подсети для определения сетевой и хостовой частей заданного IP-адреса. Основная функция маски подсети заключается в том, чтобы сообщить компьютеру, какая часть IP-адреса идентифицирует сеть, а какая — конкретное устройство (хост) в этой сети.

Это достигается с помощью побитовой логической операции AND. Компьютер берет IP-адрес (в двоичном виде) и маску подсети (в двоичном виде) и выполняет над ними операцию AND. Результатом является сетевой адрес.

Правила для побитового AND просты:

1 AND 1 = 1
1 AND 0 = 0
0 AND 1 = 0
0 AND 0 = 0

По сути, результат равен 1 только в том случае, если оба соответствующих бита равны 1.

Давайте рассмотрим практический пример, чтобы увидеть это в действии. Мы определим сетевой адрес для IP-адреса 192.168.1.74 с маской подсети /26 (255.255.255.192). Вместо того чтобы делать это вручную в интерпретаторе, мы напишем небольшой скрипт на Python для выполнения расчета.

Сначала создайте новый файл скрипта Python с именем network_calc.py в вашем каталоге проекта с помощью редактора nano.
```
nano ~/project/network_calc.py
```

В редакторе nano скопируйте и вставьте следующий код Python. Этот скрипт определяет IP-адрес и маску, выполняет операцию AND для каждого октета и выводит результат.

## Define the IP address and subnet mask octets
ip = [192, 168, 1, 74]
mask = [255, 255, 255, 192]

## Calculate the network address using a bitwise AND
network_addr = [ip[i] & mask[i] for i in range(4)]

## Format the output strings
ip_str = ".".join(map(str, ip))
network_str = ".".join(map(str, network_addr))

print(f"IP Address:      {ip_str}")
print(f"Subnet Mask:     /26 (255.255.255.192)")
print(f"Network Address: {network_str}")

Сохраните файл и выйдите из nano, нажав Ctrl+O, затем Enter, и наконец Ctrl+X.
Теперь запустите ваш скрипт из терминала.
```
python3 ~/project/network_calc.py
```
Вы увидите следующий вывод, который наглядно демонстрирует результат операции AND:
```
IP Address:      192.168.1.74
Subnet Mask:     /26 (255.255.255.192)
Network Address: 192.168.1.64
```

Из этого вывода мы можем выделить различные части:

Сетевая часть (Network Portion): Маска /26 указывает, что первые 26 бит являются сетевой частью. Вычисленный Network Address (192.168.1.64) является идентификатором этой конкретной сети.
Хостовая часть (Host Portion): Оставшиеся 32 - 26 = 6 бит являются хостовой частью. Эти 6 бит идентифицируют конкретное устройство (.74) в сети 192.168.1.64.

Вы успешно использовали скрипт для поиска сетевого адреса и теперь можете концептуально различать сетевую и хостовую части IP-адреса.

Расчет доступных хостов и подсетей для заданного CIDR

На этом заключительном этапе вы научитесь выполнять два важных расчета подсетей: определение количества доступных IP-адресов хостов в подсети и выяснение того, сколько подсетей можно создать из большего сетевого блока. Эти расчеты являются основополагающими для планирования и проектирования сетей.

Вот ключевые формулы:

Количество доступных хостов: Формула 2^n - 2, где n — количество хостовых битов (нули в маске подсети). Мы вычитаем 2, потому что первый адрес в подсети (где все хостовые биты равны 0) зарезервирован как сетевой адрес, а последний адрес (где все хостовые биты равны 1) зарезервирован как широковещательный адрес (Broadcast Address). Ни один из них не может быть назначен устройству.
Количество подсетей: Это рассчитывается, когда вы делите большую сеть (например, /24) на меньшие (например, /26). Формула 2^m, где m — количество битов, которые вы "одолжили" из исходной хостовой части для создания новой, более специфичной маски подсети.

Давайте улучшим наш скрипт network_calc.py для выполнения этих расчетов.

Сначала откройте файл network_calc.py снова с помощью редактора nano.
```
nano ~/project/network_calc.py
```

Удалите существующее содержимое и замените его следующим кодом Python. Эта новая версия фокусируется на расчете количества хостов и подсетей на основе заданного префикса CIDR.

## Define the CIDR prefix and the base network prefix
cidr_prefix = 26
base_prefix = 24 ## The original network we are subnetting from (e.g., a /24)

## --- Calculations ---

## 1. Calculate host bits
host_bits = 32 - cidr_prefix

## 2. Calculate usable hosts
## The ** operator is for exponentiation (power of)
if host_bits > 0:
    total_hosts = 2**host_bits
    usable_hosts = total_hosts - 2
else:
    total_hosts = 1
    usable_hosts = 1 ## For /31 and /32, rules are different, but we simplify here

## 3. Calculate subnet bits borrowed
subnet_bits = cidr_prefix - base_prefix

## 4. Calculate number of subnets
if subnet_bits >= 0:
    num_subnets = 2**subnet_bits
else:
    num_subnets = "N/A (Prefix is smaller than base)"


## --- Output ---
print(f"--- Subnet Calculations for a /{cidr_prefix} Network ---")
print(f"Host Bits: {host_bits}")
print(f"Total Hosts per Subnet: 2^{host_bits} = {total_hosts}")
print(f"Usable Hosts per Subnet: {total_hosts} - 2 = {usable_hosts}")
print("") ## Adds a blank line for readability
print(f"--- Subnetting from a /{base_prefix} Network ---")
print(f"Subnet Bits Borrowed: {subnet_bits}")
print(f"Number of Subnets Created: 2^{subnet_bits} = {num_subnets}")

Сохраните файл и выйдите из nano, нажав Ctrl+O, Enter и Ctrl+X.
Запустите обновленный скрипт из вашего терминала.
```
python3 ~/project/network_calc.py
```

Скрипт теперь выведет рассчитанные значения:

--- Subnet Calculations for a /26 Network ---
Host Bits: 6
Total Hosts per Subnet: 2^6 = 64
Usable Hosts per Subnet: 64 - 2 = 62

--- Subnetting from a /24 Network ---
Subnet Bits Borrowed: 2
Number of Subnets Created: 2^2 = 4

Этот вывод наглядно показывает, что для сети /26 имеется 6 хостовых битов, что позволяет получить 2^6 = 64 общих адреса. После резервирования сетевого адреса и широковещательного адреса остается 62 доступных хоста. Он также показывает, что если вы начали с сети /24, вы одолжили 2 бита для создания маски /26, что приводит к 2^2 = 4 возможным подсетям.

Резюме

В этой лабораторной работе вы научились выполнять основные расчеты IP-адресов и подсетей непосредственно в терминале Linux. Вы использовали интерактивный интерпретатор Python как мощный инструмент для преобразования IP-адресов из удобочитаемого формата с десятичными точками в их 32-битный двоичный эквивалент и обратно. Это включало преобразование каждого октета по отдельности и обеспечение правильного 8-битного дополнения. Вы также отработали перевод обозначения маски подсети CIDR в ее полную двоичную форму и форму с десятичными точками.

Опираясь на эти навыки преобразования, вы применили их для выполнения основных задач сетевого анализа. Вы научились различать сетевую и хостовую части IP-адреса, используя маску подсети. Наконец, вы выполнили необходимые расчеты для определения количества доступных хостовых адресов и общего количества подсетей для сети на основе ее заданного префикса CIDR, что укрепило ваше понимание принципов подсетей IP.