IPV4与IPV6正则表达式

在网络应用开发中，IP地址验证是常见需求，尤其是确保输入的IP格式正确。本文将介绍如何利用正则表达式匹配和验证IPv4和IPv6地址，并分析每个正则表达式的结构和原理。

1. IPv4 地址的正则表达式

IPv4地址由四组数字组成，每组数字在0到255之间，以句点（.）分隔。IPv4的标准格式是“x.x.x.x”，其中每个x都是一个0到255之间的整数。

正则表达式

^((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$

正则表达式分解

• ^：表示字符串的开始。
• ((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}：匹配前三段数字，每段后跟一个句点。
  • 25[0-5]：匹配250到255。
  • 2[0-4]\d：匹配200到249。
  • [01]?\d\d?：匹配0到199。
• (25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)：匹配第四段数字（不跟句点）。
• $：表示字符串的结尾。

工作原理

该正则表达式通过多重选择结构（|）匹配每段IPv4地址中的数字，保证每段数值处于合法范围（0-255）。前三段数字后跟句点，最后一段直接结束，确保输入符合IPv4格式。

2. IPv6 地址的正则表达式

IPv6地址由8组4位十六进制数字组成，以冒号（:）分隔，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6还支持简写，例如::1代表回环地址。IPv6可以混合IPv4格式，比如::ffff:192.168.1.1。

正则表达式

^([\da-fA-F]{1,4}:){6}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$|^::([\da-fA-F]{1,4}:){0,4}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$|^([\da-fA-F]{1,4}:):([\da-fA-F]{1,4}:){0,3}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){2}:([\da-fA-F]{1,4}:){0,2}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){3}:([\da-fA-F]{1,4}:){0,1}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){4}:((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){7}[\da-fA-F]{1,4}$|^:((:[\da-fA-F]{1,4}){1,6}|:)$|^[\da-fA-F]{1,4}:((:[\da-fA-F]{1,4}){1,5}|:)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){2}((:[\da-fA-F]{1,4}){1,4}|:)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){3}((:[\da-fA-F]{1,3}|:)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){4}((:[\da-fA-F]{1,2}|:)$|^([\da-fA-F]{1,4}:){5}:([\da-fA-F]{1,4})?$|^([\da-fA-F]{1,4}:){6}:$

正则表达式分解

由于IPv6的多种简写可能性，该正则表达式较复杂，分为以下几部分：

1. 标准IPv6格式
   • ^([\da-fA-F]{1,4}:){7}[\da-fA-F]{1,4}$：匹配完整的8段格式（无简写）。
2. IPv4混合格式
   • 类似 ::ffff:192.168.1.1 的IPv4地址嵌入。
   • ^([\da-fA-F]{1,4}:){6}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$：6段IPv6加1段IPv4地址。
3. 简写格式
   • ^::([\da-fA-F]{1,4}:){0,4}((25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\d|[01]?\d\d?)$：允许最开头省略的冒号::，后面可跟0到4段IPv6。
   • ^[\da-fA-F]{1,4}:((:[\da-fA-F]{1,4}){1,5}|:)$：允许前几段IPv6并带有省略号::。

工作原理

IPv6正则表达式通过多种方式处理了不同的简写情况。使用:符号和16进制字符匹配IPv6的每段，还支持混合格式，满足多种IPv6地址写法。

3. 使用场景与示例

使用方法

在编程中可以直接利用正则表达式匹配字符串，如在Java中使用Pattern类：

import java.util.regex.Pattern;

public class IPValidator {
    private static final Pattern IPV4_PATTERN = Pattern.compile("^((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$");
    private static final Pattern IPV6_PATTERN = Pattern.compile("^([\\da-fA-F]{1,4}:){6}((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$|^::([\\da-fA-F]{1,4}:){0,4}((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:):([\\da-fA-F]{1,4}:){0,3}((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){2}:([\\da-fA-F]{1,4}:){0,2}((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){3}:([\\da-fA-F]{1,4}:){0,1}((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){4}:((25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)\\.){3}(25[0-5]|2[0-4]\\d|[01]?\\d\\d?)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){7}[\\da-fA-F]{1,4}$|^:((:[\\da-fA-F]{1,4}){1,6}|:)$|^[\\da-fA-F]{1,4}:((:[\\da-fA-F]{1,4}){1,5}|:)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){2}((:[\\da-fA-F]{1,4}){1,4}|:)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){3}((:[\\da-fA-F]{1,4}){1,3}|:)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){4}((:[\\da-fA-F]{1,4}){1,2}|:)$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){5}:([\\da-fA-F]{1,4})?$|^([\\da-fA-F]{1,4}:){6}:$");

    public static boolean isValidIPv4(String ip) {
        return IPV4_PATTERN.matcher(ip).matches();
    }

    public static boolean isValidIPv6(String ip) {
        return IPV6_PATTERN.matcher(ip).matches();
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(isValidIPv4("192.168.1.1")); // true
        System.out.println(isValidIPv6("2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334")); // true
    }
}

示例结果

• IPv4有效示例：192.168.1.1, 255.255.255.255
• IPv4无效示例：256.100.1.1, 123.456.78.90
• IPv6有效示例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334, ::1
• IPv6无效示例：2001:db8::85a3::8a2e:370:7334（多重::简写）

总结

理解和编写IP地址的正则表达式可以帮助我们在开发中处理IP验证需求。IPv4的格式相对简单，但IPv6的灵活性带来了正则的复杂性。这些正则表达式可以帮助确保输入的IP地址符合标准格式，为网络应用提供