CN100352233C - 路由表的组织与查找方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种关于IPv6网络的路由表的组织与查找方法，其中路由表的组织方法，包括：确定利用多重表表示IP地址前N位的N值；根据N值和IP地址的网络前缀建立多重表，所有网络前缀长度不大于N的IP地址对应的路由表项都组织在该表中，每一层表与IP地址的不同字段相对应；如果IP地址的网络前缀长度大于N，则在多重表后面链接表示IP地址余下位数的Patricia树。本发明利用多重表每次能查找多个比特因而查找速度较快以及Patricia树法的结构不会浪费太多空间这两个优点，构造了新的路由表组织和查找方法，本发明与多重表法相比，存储空间较小，其查找速度比Patricia树法快一倍以上。

Description

路由表的组织与查找方法

技术领域

本发明涉及IP网络，具体地说，涉及采用IPv6协议的网络中路由器的路由表的组织与查找方法。

背景技术

在计算机网络中，如互联网Internet或企业内部互联网Intranet，为了区别组成网络的各个计算机，每一台计算机都被赋予了一个地址作为区别于其他计算机的标志。IP网络中由路由器来连接各个计算机，实现计算机之间信息的传输。当计算机之间进行通信时，源主机将目的主机的地址(目的地址)加入到发送的数据包中，网络中的路由器根据数据包所带的目的地址进行转发，最终到达目的主机，从而完成通信。

网络中路由器的功能在于确定当前收到的数据包的下一个路径并转发数据包，因此每个路由器都应当知道当前网络的拓扑结构，从而找到通往任一目的地址的路径，即确定下一跳。路由器之间通过周期性交换信息来了解网络的拓扑信息，从而根据网络的变化更新路由信息。

在每个路由器中都有一个路由表，用于存储目的地址、网关地址、外出接口以及路由状态等。由于数据包中的路由是基于目的地址进行的，因此以目的地址为查找键在路由表中进行查找，可以得到对应的路由表项。路由表项中包含很多有关路由的信息，其中最主要的是关于确定下一跳的信息。路由表的查找过程与IP地址结构以及路由表的组织方式有关。例如，对于不超过八位的地址，可以采用数组的形式路由表，地址所对应的无符号整数作为对应路由表项的索引。查找时，根据要查找的地址得到索引，从而找到相应的路由条目。但如果地址是32位，则用数组来表示路由表会是极大浪费甚至是行不通的，因为此时需要4Gb内存来存放路由表；对于更长的地址如128位地址，则需要设计更加高效的数据结构才能满足应用的需要。

目前已经有很多支持IP路由查找的方法。如G.R.Wright和W.R.Stevens在1995年Addison-Wesley Publishing Company的″TCP/IP Illustrated，vol.2，″中介绍了一类特殊的Radix树称为Patricia树，已经在Net/3、FreeBSD以及大多数高端路由器中用于组织路由表。Patricia树法将查找的地址和树中的地址都看成比特序列，搜索过程从地址比特序列中最重要的位置开始，与树中结点逐个比特进行比较。一个对应比特的值指引搜索过程向左子树或者右子树进行搜索，重复此过程直到搜索到对应的路由条目。在Patricia树法中，搜索时间与地址的最长位数成比例，而且平均搜索时间和最坏情况搜索时间的差别不大。

美国专利6,061,712“Method for IP routing table look-up”中提出了一种称为哈希-Radix树方法来组织和查找IP路由表。该方法将X比特IP地址的前k比特组织为哈希表，IP地址的前k比特作为哈希索引，该索引对应于指向radix树根结点的指针；每个radix树只表示余下的X-k比特，比表示整个IP地址的radix树小，其层次最多为X-k，因而其搜索效率比对整个地址采用radix树组织时要高。

另外，中国专利申请00804339.6“使用压缩树转发表的网络路由器搜索引擎”中提出网络路由设备在中央路由表和转发表中使用多层树数据结构，该转发表共包含三层表：第一层表的表目由分组地址字段的地址比特的第一字段直接寻址，第二层表的表目由分组地址字段的地址比特的第二字段联合寻址；第一层表为一些分组有效提供了表示下一跳网络地址的下一跳索引，这些分组地址的地址比特的第一字段足以确定下一跳地址；同时为另一些分组提供到第二层表的一个指针，这些分组地址的地址比特不足以确定下一跳地址；第二层表为一些分组有效提供了表示下一跳网络地址的一个下一跳索引，这些分组地址的地址比特的第一和第二字段足以确定下一跳地址；第三层表的表目由来自分组地址字段的地址比特的第三字段联合寻址，并且其中第二层表为一些分组有效提供了到第三层的一个指针，这些分组地址的地址比特的第一和第二字段不足以确定下一跳的地址，并且第三层表为另一些分组有效地提供表示下一跳地址的一个下一跳索引，这些分组地址的地址比特的第一、第二和第三字段足以确定下一跳的地址。因为每次能比较多个比特，所以该方法的查找效率比Radix树法高，但同时占用的存储空间也较大。

上述方法在IPv4的32位地址时都有较高的效率，但是当IP地址由IPv4的32位增加到IPv6的128位时，上述方法的缺点逐渐暴露出来。多层树法的数据结构占用的存储空间太大，而Patricia树的搜索时间则变得更长；哈希-radix树方法将地址的前k位用哈希表表示然后链接上radix树，但用哈希表表示的位数非常有限(一般不超过16位)，对于128位IPv6地址，其效率和采用Patricia法时差不多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种路由表的组织与查找方法，特别是关于IPv6网络的路由表的组织与查找方法，以解决现有技术中存储空间较大或查找时间长的问题。

本发明所述路由表的组织方法，包括以下步骤：

一、确定利用多重表表示IP地址前N位的N值；

二、根据步骤一的N值和IP地址的网络前缀建立多重表，所有网络前缀长度不大于N的IP地址对应的路由表项都组织在该表中，每一层表与IP地址的不同字段相对应，且各层表对应的IP地址字段的长度之和不大于N；当IP地址的网络前缀长度大于等于N时，各层表对应的IP地址字段的长度之和等于N；

三、如果IP地址的网络前缀长度大于N，则在多重表后面链接表示IP地址余下位数的Patricia树。

所述步骤一中确定N的值为48。

所述步骤二进一步包括：

1)判断IP地址的网络前缀长度H是否大于第一层表的表示位L，如果是，则转至步骤3)；如果否，则进行步骤2)；

2)取IP地址中该层表对应字段的前H位，此H位对应的无符号整数为U，则该层表中下标为U+2^H的项指向该IP地址对应的路由项；

3)将此时的网络前缀长度减小L位，取IP地址中该层表对应字段的前L位，此L位对应的无符号整数为V，判断此时各层表表示位的和是否小于N，如果是，则转至步骤4)；如果否，则表中下标为V+2^L的项指向一个Patricia树的首部，转至步骤三；

4)表中下标为V+2^L的表项指向一个子表，如果该子表不存在，则根据该子表的表示位为该子表分配内存并使上述表项指向该子表；

5)判断IP地址剩余的网络前缀长度是否大于该子表的表示位，如果是，则转至步骤3)；如果否，则进行步骤2)。

所述步骤三中建立Patricia树包括：

1)Patricia树的根结点对应于IP地址的第N+1位；

2)以IP地址余下的位数建立Patricia树，其叶子结点指向IP地址对应的路由项。

本发明所述路由表的查找方法，包括以下步骤：

一、判断IP地址的网络前缀长度H是否大于第一层表表示位L，如果是，则转至步骤三；如果否，则进行步骤二；

二、取该层表对应IP地址字段的前H位，此H位对应的无符号整数为U，得到表中下标为U+2^H的项，该表项指向该IP地址对应的路由项；结束此次查找过程；

三、将网络前缀长度H减小L，取该层表对应地址字段的L位，此L位对应的无符号整数为V，如果该层表中下标为V+2^L的项指向一子表，则转至步骤四；如果表中下标为V+2^L的表项指向一Patricia树首部，则转至步骤五；

四、判断IP地址剩余的网络前缀长度H-L是否大于子表的表示位，如果是，则转至步骤三；如果否，则进行步骤二；

五、利用IP地址余下的位数在Patricia树中查找。

本发明又称为多重表-Patricia树法，本发明利用多重表每次能查找多个比特因而查找速度较快以及Patricia树法的结构不会浪费太多空间这两个优点，构造了新的路由表组织和查找方法。本发明与多重表法相比，存储空间较小，以一个表项占用存储空间为单位，假设每个表有8个表项，如果采用多重表法，将占用512个单位；如果采用本发明，设N＝32，则多重表只占用128个单位，Patricia树只占用少量单位。采用本发明进行查找时，由于很多目的地址的前缀长度小于等于N，这时查找目的地址对应的路由表项等价于直接在多重表中查找；只有那些前缀长度比N大的地址才需要在Patricia树中进一步查找，并且比较的次数也比Patricia树法少，所以查找速度会提高很多。通常情况下，本发明所占用的存储空间远远小于采用多重表法所占用的空间，同时其查找速度也比采用Patricia树法快一倍以上。

附图说明

图1是本发明建立多重表-Patricia结构的路由表的流程图。

图2是本发明在多重表-Patricia结构的路由表中进行查找的流程图。

图3是应用本发明建立的两重表的实施例。

图4是多重表-Patricia结构的路由表的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

首先介绍一下IPv4地址及其网络掩码和IPv6地址及其网络前缀。假设IPv4的地址是10.40.45.27，其网络掩码为255.255.255.0；而IPv6的地址是51fb:df00:ce3e:e200::1234/64，则该地址后面的64表示IPv6地址51fb:df00:ce3e:e200::1234的前64位是网络前缀，即它的(网络)前缀长度为64。网络掩码和前缀长度是可以互换的，即网络掩码中从左起连续为1的比特位的长度就是前缀长度；反之，前缀长度对应从左起连续前缀长度位为1、后面全为0的网络掩码。如上述例子中，IPv4地址的前缀长度是24，其网络前缀为10.40.45。网络掩码和网络前缀均标识IP地址的网络部分，网络部分也是查找路由时最重要的部分。本发明正是基于此，尽可能利用多重表部分来组织路由表，对于网络部分太长的地址，其对应的路由表项组织在Patricia树部分，这样既提高了查找速度又节约了存储空间。

因为一个表的表示位越多，其表项就越多，此时浪费的表项就更多，所以每层表的表示位不能太大，同时，如果表示位太小，查找时每次处理的位数就少，效率便降低，因而表的表示位一般取为8。多重表的结构是根据路由器在IP网络中的位置或者具体情况来确定的，与IP地址的长度和层次结构有关；对于IPv4的32位地址，可以全部由多重表表示，如果取每层表的表示位为8，则只需要4重表就可以表示，占用的内存空间也不会太大。因为如果多重表对应的N增大，表的重数也将增多，需要的内存空间也随之成倍增加，对于IPv6地址，由于其地址具有层次结构，前48位对应于站点外部网络部分，接下来的16位标志站点内部网络部分，所以N最好选取为48。

而多重表的每一层表与IP地址的不同字段相对应，该字段的长度L称为该层表的表示位，每个未压缩的该层表的表长为2^L+1。当然各层表的表示位可以不同，不过此时需要记录每层表的表示位。第一层表对应IP地址的第一字段，第二层表对应IP地址的第二字段，以此类推，第n层表对应IP地址的第n字段；多重表的各层表对应的IP地址字段的长度之和不大于N，当IP地址的前缀长度大于等于N时，多重表的各层表对应的IP地址字段的长度之和为N。

图1描述了本发明路由表的组织流程，即建立多重表-Patricia结构的流程。建立多重表之前需首先确定N的值。如上所述，N最好选取为48。假设IP地址为p，其网络前缀长度为plen，表头指针为t，用于表示表对应的地址p中位置的偏移量off，表的表示位是1。

偏移量off的初始值设为0，表示从IP地址的最左边的位开始处理。判断偏移量off与表t的表示位1的和是否小于N，如果是，则找到地址p在表t中对应的索引v，取x为表t的表示位I和网络前缀长度plen减去偏移量off后的值中小的一个，设IP地址从第off+1位开始的x位对应的无符号整数为V，则索引v＝V+2^x。如果网络前缀长度plen小于1，则表项t[v]指向地址p对应的路由表项。如果网络前缀长度plen大于1，表示需建立子表，令表项t[v]指向子表，同时更新偏移量off，使其指向子表对应地址p中的起始位置，网络前缀长度plen为从off开始余下的前缀部分的长度，然后对子表部分，判断新的偏移量off与该子表的表示位1的和是否小于N，重复上述步骤直到处理完所有子表。

如果偏移量off与表t表示位1的和等于N，则同样按上述方法找到地址p在表t中的索引v。如果前缀长度等于1，则表项t[v]指向地址p对应的路由表项。如果前缀长度大于1，则表示需建立Patricia树，令表头指针t指向Patricia树的首部，以地址p从第N+1位开始的部分为键值，将路由表项添加到Patricia树中。

至此，具有多重表-Patricia结构的路由表已经组织完成。

图2描述了在建立好的多重表-Patricia结构的路由表中进行查找的流程。设需要查找的IP地址为p，其网络前缀长度为plen，表头指针为t，用于表示表对应的地址p中位置的偏移量off，表的表示位为1。

偏移量off的初始值设为0，表示从IP地址的最左边的位开始处理。然后找到地址p在表t中的索引v。如果网络前缀长度plen小于表的表示位1，则查看t[v]对应的表项是否无效或者不存在，如果是，则查看其父节点t[v/2]对应的表项；如果父节点t[v/2]对应的路由表项有效，则t[v/2]为查找到的路由，查找结束；否则令v＝v/2，重复上述步骤，继续查找。

如果网络前缀长度plen大于表的表示位1，且如果t[v]对应的表项指向Patricia树的首部，则以从偏移量off开始的IP地址部分为查找键在Patricia树中查找。否则t[v]指向子表，表示需在子表中查找，令t指向子表，同时更新偏移量off，使其指向子表对应地址p中的起始位置，前缀长度plen为从off开始余下的前缀部分的长度，然后重新查找地址p在子表中的索引，重复上述步骤。

图3是利用本发明建立两重表的实施例。假设父表的表示位为2，子表的表示位为3，父表的表项[6]指向子表。IPv6地址8200∷1234/4在多重表-Patricia结构中建立路由表项如下，由上述IPv6地址得知，其网络前缀长度为4。由于父表表示位2小于前缀长度4，而IP地址最左边两位为10，则得到索引为2+2²＝6，得到t[6]，表项t[6]指向子表；此时偏移量off变为2，前缀长度变为2小于子表表示位3，此时IP地址从偏移处开始的两比特为00，则得到索引为0+2²＝4，建立路由表项，并使t[4]指向此路由表项。

图4是应用本发明建立多重表-Patricia结构的路由表的实施例，上面为表，其表示位为3，其表项[9]和[14]分别指向两个Patricia树的首部。当取N＝3时，IPv6地址分别为2F3D::1357/64和CED2::1375/64对应的路由表项分别在表项[9]和[14]所指向的Patricia树中。因为2F3D::1357/64的网络前缀大于3，而地址的前三位为001，得到索引1+2³＝9，由于多重表(此处为一重表)的表示位的和3等于N，同时IP地址的前缀长度大于N，所以表项[9]应指向-Patricia树，2F3D::1357/64对应的路由表项组织在该树中。对地址CED2::1375/64的分析类似。

图3和图4列举了两个较为简单的例子，当N值比较大，同时IPv6地址的网络前缀比N大时，多重表-Patricia结构将由多重表链接上Patricia树构成。

在本发明中，如果N取为0，则路由表的组织结构变为Patricia树结构；如果取N为IP地址的最大长度，则路由表的组织结构退化为多重表。

下面分析当N变化时，多重表-Patricia树占用存储空间的变化。不妨设将原来的N增加到N+4，原来的多重表-Patricia树中四分之一的IPv6地址的前缀长度比N长。由于N增加到N+4，所以将链接一些子表，设这些子表表示位为4，则所占存储空间增加原来的25/4＝8倍。即使只有十分之一的IPv6地址的前缀长度比N长，所占存储空间也将增加原来的3倍。多重表法对应于N为128时多重表-Patricia树，因而多重表法占用的存储空间太多。

另外，如果IPv6地址的前缀长度小于N，只需在前面的多重表中查找路由，其速度也将比采用Patricia树结构时快很多倍。只有那些前缀长度大于N的地址，查找路由时需要搜索多重表-Patricia树的Patricia树，此时的速度也比采用Patricia树结构时快。

由上知，采用多重表-Patricia树组织路由表，特别是IPv6路由表，占用存储空间少而且查找效率高。

Claims (5)

1、一种路由表的组织方法，包括以下步骤：

一、根据路由器在IP网络中的位置、IP地址的长度和层次结构确定利用多重表表示IP地址前N位的N值；

二、根据步骤一的N值和IP地址的网络前缀建立多重表，所有网络前缀长度不大于N的IP地址对应的路由表项都组织在该表中，每一层表与IP地址的不同字段相对应，且各层表对应的IP地址字段的长度之和不大于N；当IP地址的网络前缀长度大于等于N时，各层表对应的IP地址字段的长度之和等于N，具体包括以下步骤：

1)判断IP地址的网络前缀长度H是否大于第一层表的表示位L，如果是，则转至步骤3)；如果否，则进行步骤2)；

2)取IP地址中该层表对应字段的前H位，此H位对应的无符号整数为U，则该层表中下标为U+2^H的项指向该IP地址对应的路由项；

3)将此时的网络前缀长度减小L位，取IP地址中该层表对应字段的前L位，此L位对应的无符号整数为V，判断此时各层表表示位的和是否小于N，如果是，则转至步骤4)；如果否，则表中下标为V+2^L的项指向一个Patricia树的首部，转至步骤三；

4)表中下标为V+2^L的表项指向一个子表：如果该子表不存在，则根据该子表的表示位为该子表分配内存并使上述表项指向该子表，否则直接使上述表项指向该子表；

5)判断IP地址剩余的网络前缀长度是否大于该子表的表示位，如果是，则转至步骤3)；如果否，则进行步骤2)；

三、如果IP地址的网络前缀长度大于N，则在多重表后面建立IP地址余下位数的Patricia树，否则直接进行步骤四；

四、保存生成的多重表或者多重表-Patricia树。

2、根据权利要求1所述的路由表的组织方法，其特征在于，所述步骤一中确定N的值为48。

3、根据权利要求1所述的路由表的组织方法，其特征在于，所述步骤三中建立Patricia树进一步包括：

1)Patricia树的根结点对应于IP地址的第N+1位；

2)以IP地址余下的位数建立Patricia树，其叶子结点指向IP地址对应的路由项。

4、一种基于所述权利要求1的方法组织的路由表的查找方法，包括以下步骤：

一、判断IP地址的网络前缀长度H是否大于第一层表表示位L，如果是，则转至步骤三；如果否，则进行步骤二；

二、取该层表对应IP地址字段的前H位，此H位对应的无符号整数为U，得到表中下标为U+2^H的项，该表项指向该IP地址对应的路由项；结束此次查找过程；

三、将网络前缀长度H减小L，取该层表对应地址字段的L位，此L位对应的无符号整数为V，如果该层表中下标为V+2^L的项指向一子表，则转至步骤四；如果表中下标为V+2^L的表项指向一Patricia树首部，则转至步骤五；

四、判断IP地址剩余的网络前缀长度H-L是否大于子表的表示位，如果是，转至步骤三；如果否，转至步骤二；

五、利用IP地址余下的位数在Patricia树中查找。

5、根据权利要求4所述的路由表的查找方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括，在得到表中下标为U+2^H的项后，查看该表项是否无效或者不存在，如果有效，则该表项对应的路由表项为查找到的项；否则，查看其父节点(U+2^H)/2对应的表项是否有效，如果父节点对应的表项有效，则该表项对应的路由表项即为查找到的路由，查找结束；否则继续查找父节点的父节点，直至查找到所需的路由表项。

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