範囲内のIPv4アドレスを列挙する

Question

IPv4アドレスの範囲を表すために2つのIPv4アドレスをユーザが入力し、その範囲
内の全アドレスを列挙するプログラムを書くという構文ですが、

to_ulong()のビットシフトや、
is_class_a()
is_class_b()
is_class_c()
is_multicast()
は、何を目的としてこのようなことをしているのでしょうか？

v#include <iostream>
#include <array>
#include <sstream>

class ipv4
{
    std::array<unsigned char, 4> data;
public:
    constexpr ipv4() :data{ { 0 } } {}
    constexpr ipv4(unsigned char const a, unsigned char const b,
        unsigned char const c, unsigned char const d) :
        data{ { a,b,c,d } } {}
    explicit constexpr ipv4(unsigned long a) :
        data{ { static_cast<unsigned char>((a >> 24) & 0xFF),
        static_cast<unsigned char>((a >> 16) & 0xFF),
        static_cast<unsigned char>((a >> 8) & 0xFF),
        static_cast<unsigned char>(a & 0xFF) } } {}
    ipv4(ipv4 const& other) noexcept : data(other.data) {}
    ipv4& operator=(ipv4 const& other) noexcept
    {
        data = other.data;
        return *this;
    }

    constexpr unsigned long to_ulong() const noexcept
    {
        return
            (static_cast<unsigned long>(data[0]) << 24) |
            (static_cast<unsigned long>(data[1]) << 16) |
            (static_cast<unsigned long>(data[2]) << 8) |
            static_cast<unsigned long>(data[3]);
    }

    std::string to_string() const
    {
        std::stringstream sstr;
        sstr << *this;
        return sstr.str();
    }

    constexpr bool is_loopback() const noexcept
    {
        return (to_ulong() & 0xFF000000) == 0x7F000000;
    }

    constexpr bool is_unspecified() const noexcept
    {
        return to_ulong() == 0;
    }

    constexpr bool is_class_a() const noexcept
    {
        return (to_ulong() & 0x80000000) == 0;
    }

    constexpr bool is_class_b() const noexcept
    {
        return (to_ulong() & 0xC0000000) == 0x80000000;
    }

    constexpr bool is_class_c() const noexcept
    {
        return (to_ulong() & 0xE0000000) == 0xC0000000;
    }

    constexpr bool is_multicast() const noexcept
    {
        return (to_ulong() & 0xF0000000) == 0xE0000000;
    }

    ipv4& operator++()
    {
        *this = ipv4(1 + to_ulong());
        return *this;
    }

    ipv4& operator++(int)
    {
        ipv4 result(*this);
        ++(*this);
        return *this;
    }

    friend bool operator==(ipv4 const& a1, ipv4 const& a2) noexcept
    {
        return a1.data == a2.data;
    }

    friend bool operator!=(ipv4 const& a1, ipv4 const& a2) noexcept
    {
        return !(a1 == a2);
    }

    friend bool operator<(ipv4 const& a1, ipv4 const& a2) noexcept
    {
        return a1.to_ulong() < a2.to_ulong();
    }

    friend bool operator>(ipv4 const& a1, ipv4 const& a2) noexcept
    {
        return a2 < a1;
    }

    friend bool operator<=(ipv4 const& a1, ipv4 const& a2) noexcept
    {
        return !(a1 > a2);
    }

    friend bool operator>=(ipv4 const& a1, ipv4 const& a2) noexcept
    {
        return !(a1 < a2);
    }

    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const ipv4& a)
    {
        os << static_cast<int>(a.data[0]) << '.'
            << static_cast<int>(a.data[1]) << '.'
            << static_cast<int>(a.data[2]) << '.'
            << static_cast<int>(a.data[3]);
        return os;
    }

    friend std::istream& operator>>(std::istream& is, ipv4& a)
    {
        char d1, d2, d3;
        int b1, b2, b3, b4;
        is >> b1 >> d1 >> b2 >> d2 >> b3 >> d3 >> b4;
        if (d1 == '.' && d2 == '.' && d3 == '.')
            a = ipv4(b1, b2, b3, b4);
        else
            is.setstate(std::ios_base::failbit);

        return is;
    }
};

int main()
{
    std::cout << "input range: ";
    ipv4 a1, a2;
    std::cin >> a1 >> a2;
    if (a2 > a1)
    {
        for (ipv4 a = a1; a <= a2; a++)
        {
            std::cout << a << std::endl;
        }
    }
    else
    {
        std::cerr << "invalid range!" << std::endl;
    }
}

Answer 1

to_ulong()で、人間に読みやすくするために8bitのunsigned charに4分割されたIPを、
その本来の姿である、32bitのIPに戻しています。

is_class_a()は、そうして元に戻した32bitのIPをベースとして、
0x80000000でマスクしたら0になる。
IP表記でいえば128.0.0.0でマスク、2進数でいえば最初の8bitを0b10000000でマスク
つまり、最初の1bitが0なら真、1なら偽を返す。という処理をしています。

これが何か？というと、IPアドレスは、クラスによって頭のビットパターンが決まっていて、
それによってクラスを判定できます。
具体的には以下のようにして判別できます。
is_class_b()等の実装と比較してみてください。

基礎から学ぶWindowsネットワーク：
第8回　アドレス・クラスとさまざまなIPアドレス (1/3)

クラスA

　最上位の1bitが「0」ならば、そのIPアドレスは「クラスA」になる。具体的には「0.0.0.0～127.255.255.255」がこのクラスAに該当する。これは全IPアドレス空間（≒42億個）のうち、半分に相当する。
クラスB
最上位の2bitが「1－0」ならば、そのIPアドレスは「クラスB」になる。具体的には「128.0.0.0～191.255.255.255」が該当する。これは全IPアドレス空間のうち、4分の1に相当する。
クラスC
最上位の3bitが「1－1－0」ならば、そのIPアドレスは「クラスC」になる。具体的には「192.0.0.0～223.255.255.255」が該当する。これは全IPアドレス空間のうち、8分の1に相当する。
クラスD
最上位の4bitが「1－1－1－0」ならば、そのIPアドレスは「クラスD」になる。具体的には「224.0.0.0～239.255.255.255」が該当する。クラスDは、マルチキャスト通信で使われる特別なIPアドレスであり、マルチキャスト通信を使ったマルチメディア・アプリケーションなどで使われる。例えば、同じ内容の音声や映像データなどをいっせいに「放送」するような用途で使われる。一般的なノードにクラスDのIPアドレスだけを付けることはない。
クラスE
最上位の4bitが「1－1－1－1」ならば、そのIPアドレスは「クラスE」になる。具体的には「240.0.0.0～255.255.255.255」が該当する。ただし、このクラスは「実験的」な目的のためにTCP/IP（IPv4）の開発当初から予約されており、実際に使われることはない。

Comments

[Y.R.T]

ありがとうござます。
理解できました。