如何在 C# List 中存储 IP 地址列表以使其也可搜索子网？

Question

我应该如何正确存储包含子网地址的 IP 地址列表以使其可搜索？

有两个示例：

1. 我的 IP 地址为 1.2.3.4，并且在我的 C# 列表中存在 1.2.3.4 条目，因此这里没有问题。

2. 我的 IP 地址为 3.4.5.6，在我的 C# 列表中我有子网 3.4.0.0/24。这是我的问题。

如何在列表中存储 IP 子网以覆盖第二个示例？

Answer 1

在本答案的最后，您将找到表示 IPV4 地址的结构的完整实现。

这是非常简单的用法示例：-

List<IPV4Address> list = new List<IPV4Address>();
list.Add(IPV4Address.FromString("3.4.0.0", 24));
var x = IPV4Address.FromString("3.4.0.6");
foreach (var addr in list.Where(a => a.Contains(x)))
  Console.WriteLine(addr);

值“3.4.0.0/255.255.255.0”显示在控制台中，因为在 3.4.0.0/24 子网中找到了 3.4.0.6。假设 list 充满了各种子网，并且 x 可以包含任何地址，那么：-

var result = list.Where(a => a.Contains(x))
    .OrderByDescending(a => a.Mask)
    .FirstOrDefault();

将选择包含 x 的最具体的子网。

public struct IPV4Address
{
  private UInt32 _Value;
  private UInt32 _Mask;

  public UInt32 Value
  {
    get { return _Value; }
    private set { _Value = value; }
  }

  public UInt32 Mask
  {
    get { return _Mask; }
    private set { _Mask = value; }
  }

  public static IPV4Address FromString(string address)
  {
    return FromString(address, 32);
  }

  public static IPV4Address FromString(string address, int maskLength)
  {
    string[] parts = address.Split('.');
    UInt32 value = ((UInt32.Parse(parts[0]) << 24) +
      ((UInt32.Parse(parts[1])) << 16) +
      ((UInt32.Parse(parts[2])) << 8) +
      UInt32.Parse(parts[3]));

    return new IPV4Address(value, maskLength);
  }

  public IPV4Address(UInt32 value)
  {
    _Value = value;
    _Mask = int.MaxValue;
  }

  public IPV4Address(UInt32 value, int maskLength)
  {
    if (maskLength < 0 || maskLength > 32)
      throw new ArgumentOutOfRangeException("maskLength", "Must be 0 to 32");

    _Value = value;
    if (maskLength == 32)
      _Mask = UInt32.MaxValue;
    else
      _Mask = ~(UInt32)((1 << (32 - maskLength))-1);

    if ((_Value & _Mask) != _Value)
      throw new ArgumentException("Address value must be contained in mask");
  }

  public bool Contains(IPV4Address address)
  {
    if ((Mask & address.Mask) == Mask)
    {
      return (address.Value & Mask) == Value;
    }
    return false;
  }

  public override string ToString()
  {
    string result = String.Format("{0}.{1}.{2}.{3}", (_Value >> 24), 
      (_Value >> 16) & 0xFF, 
      (_Value >> 8) & 0xFF, 
      _Value & 0xFF);

    if (_Mask != UInt32.MaxValue)
      result += "/" + String.Format("{0}.{1}.{2}.{3}", (_Mask >> 24),
      (_Mask >> 16) & 0xFF,
      (_Mask >> 8) & 0xFF,
      _Mask & 0xFF);

    return result;
  }
}

Answer 2

定义一个存储 IPAddress 和前缀长度的类：

public class IPAddressWithPrefixLength
{
    public IPAddress IPAddress { get; }
    public int PrefixLength { get; }
}

然后重写 Equals 和 GetHashCode，这样只有第一个 PrefixLength > IPAddress.GetAddressBytes() 的位被考虑在内（当然还有 IPAddress 类型）。

然后，您可以使用此类将子网前缀存储在 List 中，或将它们用作 Dictionary 的键：

var subnets = new List<IPAddressWithPrefixLength>
{
    new IPAddressWithPrefixLength(IPAddress.Parse("1.2.3.4"), 32),
    new IPAddressWithPrefixLength(IPAddress.Parse("3.4.0.0"), 16),
};

var ipawpl = new IPAddressWithPrefixLength(IPAddress.Parse("3.4.5.6"), 16);

Console.WriteLine(subnets.Contains(ipawpl)); // prints "True"

这适用于 IPv6 地址，也。

Answer 3

我更愿意创建一个专门的结构（类）来将所有这些信息存储在一起。
也许在不久的将来，您希望将其扩展为除了 ipv4 之外还存储 ipv6，也许还可以存储更多数据（指标、网关等）。

Answer 4

我可以使用节点上带有布尔标签的二叉树。使用标准表示法，其中 0 是左子节点，1 是右子节点，1.2.3.4 将通过将 true 放置在 00000001000000100000001100000100（该地址的二进制表示形式）来存储在树中 - 在根和此之间的所有节点处为 false。相反，3.4.0.0/16 将使用 true 存储在 0000001100000100（3.4.0.0 二进制表示的前 16 位）。

当给你一个要测试的地址时，只需根据该地址的位沿着树向下走：如果到达一个 true 节点，则该地址位于列表中。如果您到达分支的末尾，则该地址不在列表中。

例如，如果查找 3.4.123.48，则需要在树中向下查找 16 层才能到达 true，这意味着该地址位于列表中。但是查找 129.199.195.13，您可以从该地址的前 1 位知道它不属于列表的一部分。

我不确定使用 List 类型来存储这些地址对您来说有多重要，因此这可能没有帮助； OTOH，一旦您实现了带有标签的基本二叉树，它应该具有比 .Net List 更好的渐近性能特征。

Answer 5

不要将其存储在列表中 - 将其存储在字典等结构中，其中键是 IP 地址，值是子网地址。