🌐 Концепция IP-адресов на примере Python-модуля ipaddress

Рассказываем, как работать с IP-адресами классического протокола IPv4 в теории и на практике – в коде Python. Показываем, как проверить связь между группой IP-адресов и их соответствие подсетям и диапазонам частных IP-адресов.

Вводные сведения об IP-адресах

В самом грубом представлении IP-адрес – это просто число. В случае протокола IPv4 IP-адрес– это 32-разрядное целое число, используемое для представления хоста в сети. То есть существует 2³² возможных IPv4 адреса – от 0 до 4 294 967 295. IPv4-адреса записывают в виде четырех октетов – целых чисел, разделенных точками:

220.14.9.37

Каждый октет – это один байт, число от 0 до 255. То есть максимальный адрес равен 255.255.255.255, а минимальный – 0.0.0.0.

Далее мы рассмотрим, как модуль ipaddress выполняет преобразования адреса так, что нам не приходится отвлекаться на строение адреса.

Модуль ipaddress

Получим внешний IP-адрес нашего компьютера для работы с ним в командной строке. В Linux это делается так:

$ curl -sS ifconfig.me/ip
220.14.9.37

Этот запрос узнает наш IP-шник на сайте ifconfig.me. Сайт также выдает множество другой полезной информации о вашем сетевом подключении.

Теперь откроем интерпретатор Python. Чтобы создать объект Python с инкапсулированным адресом, создадим класс IPv4Address:

>>> from ipaddress import IPv4Address
>>> addr = IPv4Address("220.14.9.37")
>>> addr
IPv4Address('220.14.9.37')

Передача строки "220.14.9.37" в конструктор IPv4Address – наиболее распространенный подход, но класс может принимать и другие типы:

>>> IPv4Address(3691907365)   # Из целого числа
IPv4Address('220.14.9.37')

>>> IPv4Address(b"\xdc\x0e\t%")  # Из байтовой строки
IPv4Address('220.14.9.37')

Адрес можно распаковать в требуемую форму:

>>> int(addr)
3691907365
>>> addr.packed
b'\xdc\x0e\t%'

Экземпляры IPv4Address являются хэшируемыми и могут использоваться в качестве ключей словаря:

>>> hash(IPv4Address("220.14.9.37"))
4035855712965130587

>>> num_connections = {
...     IPv4Address("220.14.9.37"): 2,
...     IPv4Address("100.201.0.4"): 16,
...     IPv4Address("8.240.12.2"): 4,
... }

Класс IPv4Address также реализует методы, позволяющие проводить сравнения:

>>> IPv4Address("220.14.9.37") > IPv4Address("8.240.12.2")
True

>>> addrs = (
...     IPv4Address("220.14.9.37"),
...     IPv4Address("8.240.12.2"),
...     IPv4Address("100.201.0.4"),
... )
>>> for a in sorted(addrs):
...     print(a)
...
8.240.12.2
100.201.0.4
220.14.9.37

Можно использовать любой стандартный оператор сравнения целочисленных значений адресных объектов.

IP-сети и интерфейсы

Сеть – это набор IP-адресов. Сети описываются и отображаются как непрерывные диапазоны адресов. Например, сеть может соответствовать диапазону 192.4.2.0 – 192.4.2.255, т. е. включать 256 адресов. Если нужно это отобразить в краткой форме, используется нотация CIDR.

В CIDR сеть определяется с помощью сетевого адреса и префикса <network_address>/<prefix>:

>>> from ipaddress import IPv4Network
>>> net = IPv4Network("192.4.2.0/24")
>>> net.num_addresses
256

# Вывести префикс можно с помощью свойства prefixlen:
>>> net.prefixlen
24

В данном случае префикс равен 24. Префикс – это количество ведущих битов, соответствующих входящим в сеть адресам. Ведущие биты отсчитываются слева направо.

Пример: входит ли адрес 192.4.2.12 в сеть 192.4.2.0/24?

Ответ: да, так как ведущие 24 бита адреса 192.4.2.12 – это первые три октета: 192.4.2. Последний октет соответствует последним 8 битам 32-битного IP-адреса.

Воспользуемся netmask для маскирования битов в сравниваемых адресах.

>>> net.netmask
IPv4Address('255.255.255.0')

На рисунке ниже показано, как сравниваются ведущие биты, чтобы определить, является ли адрес частью сети.

Последние 8 бит в 192.4.2.12 маскируются нулем и игнорируются при сравнении.

>>> IPv4Address("192.4.2.12") in net
True
>>> IPv4Address("192.4.20.2") in net
False

Рассмотрим еще один важный тип адреса – широковещательный.

Это единственный адрес, который может использоваться для связи со всеми хостами сети:

>>> net.network_address
IPv4Address('192.4.2.0')

Чаще всего вы будете сталкиваться с длиной префикса кратной 8.

Любое целое число от 0 до 32 является допустимым, но такой вариант встречается реже:

>>> net = IPv4Network("100.64.0.0/10")
>>> net.num_addresses
4194304
>>> net.netmask
IPv4Address('255.192.0.0')

Перебор IP-адресов в цикле

Класс IPv4Network позволяет перебирать отдельные адреса в цикле for:

>>> net = IPv4Network("192.4.2.0/28")
>>> for addr in net:
...     print(addr)
...
192.4.2.0
192.4.2.1
192.4.2.2
...
192.4.2.13
192.4.2.14
192.4.2.15

Инструмент net.hosts() возвращает генератор, выдающий адреса, исключая сетевые и широковещательные:

>>> h = net.hosts()
>>> type(h)
<class 'generator'>
>>> next(h)
IPv4Address('192.4.2.1')
>>> next(h)
IPv4Address('192.4.2.2')

Подсети IP-адресов

Подсеть – это часть IP-сети:

>>> small_net = IPv4Network("192.0.2.0/28")
>>> big_net = IPv4Network("192.0.0.0/16")
>>> small_net.subnet_of(big_net)
True
>>> big_net.supernet_of(small_net)
True

В коде выше small_net содержит 16 адресов, а big_net – 65 536.

Распространенный способ разбиения на подсети – это увеличение длины префикса на 1:

К счастью, IPv4Network расчеты подсетей поддерживаются встроенным методом subnets():

>>> for sn in net.subnets():
...     print(sn)
...
200.100.10.0/25
200.100.10.128/25

В передаваемом subnets() аргументе можно задать, каким должен быть новый префикс:

>>> for sn in net.subnets(new_prefix=28):
...     print(sn)
...
200.100.10.0/28
200.100.10.16/28
200.100.10.32/28
...
200.100.10.208/28
200.100.10.224/28
200.100.10.240/28

Специальные диапазоны IP-адресов

Администрация адресного пространства Интернет (Internet Assigned Numbers Authority, IANA) совместно с Инженерном советом Интернета (Internet Engineering Task Force, IETF) осуществляют надзор за распределением диапазонов адресов. Реестр подобных адресов – важная таблица, которая описывает, для каких целей зарезервированы диапазоны IPv4-адресов.

К примеру, это частные IP-адреса, используемые для внутренней связи между устройствами в сети, не требующей подключения к интернету:

Случайным образом выберем адрес – 10.243.156.214. Относится ли этот адрес к приватным? Для этого проверим, попадает ли он в диапазон cети 10.0.0.0/8:

>>> IPv4Address("10.243.156.214") in IPv4Network("10.0.0.0/8")
True

Другой специальный тип адреса – это локальный адрес связи, состоящий из блока 169.254.0.0/16. Примером может служить Amazon Time Sync Service, доступный для инстансов AWS EC2 по адресу 169.254.169.123. Данный пул также использует Windows для выдачи адресов сетевым адаптерам при отсутствии интернета от провайдера.

>>> timesync_addr = IPv4Address("169.254.169.123")
>>> timesync_addr.is_link_local
True

Модуль ipaddress предоставляет набор свойств для проверки того, относится ли адрес к специальным:

>>> IPv4Address("10.243.156.214").is_private
True
>>> IPv4Address("127.0.0.1").is_loopback
True

>>> [i for i in dir(IPv4Address) if i.startswith("is_")]
['is_global',
 'is_link_local',
 'is_loopback',
 'is_multicast',
 'is_private',
 'is_reserved',
 'is_unspecified']

Вот еще несколько зарезервированных сетей:

• 0.0.0.0/8 – адреса источников пакетов «своей» сети;
• 127.0.0.0/8 – используется для локального хоста;
  
• 169.254.0.0/16 – внутренние адреса;
  
• 198.18.0.0/15 – для бенчмаркинга сетей.
  

Что происходит внутри ipaddress

В дополнение к хорошо документированному API, исходный код CPython и класс IPv4Address показывают некоторые отличные идеи, как улучшить собственный код.

Компоновщик

Модуль ipaddress использует преимущества шаблона проектирования «Компоновщик». Класс IPv4Address представляет собой компоновщик, который оборачивает обычное целое число.

Каждый экземпляр IPv4Address имеет атрибут _ip, число типа int. Многие свойства и методы класса определяются значением этого атрибута:

>>> addr = IPv4Address("220.14.9.37")
>>> addr._ip
3691907365

Атрибут _ip отвечает за создание int(addr). Цепочка вызовов выглядит следующим образом:

Продемонстрируем силу ._ip путем расширения класса IPv4Address:

from ipaddress import IPv4Address

class MyIPv4(IPv4Address):
    def __and__(self, other: IPv4Address):
        if not isinstance(other, (int, IPv4Address)):
            raise NotImplementedError
        return self.__class__(int(self) & int(other))

Добавление .__and__() позволяет использовать бинарный оператор &, чтобы применять маску к IP-адресу:

>>> addr = MyIPv4("100.127.40.32")
>>> mask = MyIPv4("255.192.0.0")  # Соответствует префиксу /10

>>> addr & mask
MyIPv4('100.64.0.0')

>>> addr & 0xffc00000  # hex-литерал для 255.192.0.0
MyIPv4('100.64.0.0')

Метод __and__() позволяет использовать либо другой IPv4Address, либо непосредственно int в качестве маски. Поскольку MyIPv4 является подклассом IPv4Address, проверка isinstance() в данном случае вернет True.

Помимо перегрузки оператора, есть возможность добавить новые свойства:

import re
from ipaddress import IPv4Address

class MyIPv4(IPv4Address):
    @property
    def binary_repr(self, sep=".") -> str:
        """Представляет IPv4 в виде 4 блоков по 8 бит."""
        return sep.join(f"{i:08b}" for i in self.packed)  # 8 строка

    @classmethod
    def from_binary_repr(cls, binary_repr: str):
        """Создает IPv4 из двоичного представления."""
        i = int(re.sub(r"[^01]", "", binary_repr), 2)  # 14 строка
        return cls(i)

В методе binary_repr (строка 8), используется .packed для преобразования IP-адреса в массив байтов, который затем форматируется, как строковое представление бинарной формы.

В from_binary_repr, вызов int(re.sub(r"[^01]", "", binary_repr), 2) (строка 14) состоит из двух частей:

• удаление из входящей строки всего, кроме нулей и единиц;
• анализ результата с помощью int(<string>, 2).
  

Методы binary_repr() и from_binary_repr() позволяют проводить двустороннюю конвертацию:

>>> MyIPv4("220.14.9.37").binary_repr
'11011100.00001110.00001001.00100101'
>>> MyIPv4("255.255.0.0").binary_repr  # Маска для префикса /16 
'11111111.11111111.00000000.00000000'

>>> MyIPv4.from_binary_repr("11011100 00001110 00001001 00100101")
MyIPv4('220.14.9.37')

Таким образом, мы разобрали несколько способов использования преимуществ шаблона IP-as-integer, который может помочь расширить функциональность IPv4Address с небольшим количеством дополнительного кода.

Заключение

Если вам нравится язык Python и вы хотите детально овладеть стандартной библиотекой, у нас есть множество родственных публикаций:

• Как хранить объекты Python со сложной структурой (о модуле pickle)
  
• Итерируем правильно: 20 приемов использования в Python модуля itertools
  
• Не изобретать велосипед, или Обзор модуля collections в Python
  
• Назад в будущее: практическое руководство по путешествию во времени с Python
  
• Как подружить Python и базы данных SQL. Подробное руководство

Источники

• https://realpython.com/python-ipaddress-module/