CN101043421A - 一种基于内存的ip地址最长匹配快速查找的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找的方法，该方法首先对IP地址分成A类，B类，对IP按照8位一段的方式建立索引树，A类地址只有1层，B类地址有2层。对最底层，建立一个MASK桶索引，每个MASK下面挂接一个IP顺序表，在此顺序表中存放最终的IP项，查找的时候，根据传入的IP地址判定是A类还是B类地址，如果是A类地址，根据得到的MASK桶索引，从32位MASK的IP列表开始，采用二分法进行匹配，直到找到或者查找失败。如果是B类地址，则引导到第二段表中，用IP地址的次8位在第二段表中进行定位，并最终跟A类地址一样引导到MASK桶索引，进行查找。本发明的优点是查找快速、高效。

Description

一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找的方法

技术领域

本发明涉及一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找的方法，可实现IP路由查找、软件防火墙规则表查找、基于IP方式的负载均衡系统的IP表查找，属于数据通讯领域。

背景技术

在基于IP方式的负载均衡系统中，经常需要根据请求用户的IP地址来判断该用户所在的地区，并根据用户所在的地区，将用户的请求重定向到与该用户最近的服务器为用户提供服务。

譬如，面向全省或者全国各地的流服务，特别需要使用此方法向用户提供就近服务，以便提高服务质量。目前用户向系统重定向器发起请求，重定向器根据发起请求的用户的IP地址，与系统中已经预先录入的成千上万条IP段按照最长匹配方式进行一个一个匹配，得到该用户所在的地区，并根据用户所在的地区将用户的请求重定向到离用户最近的服务器，由于所有的用户都会向重定向器发起请求，采用依次查找的方式查找速度慢，以至于不能够进行快速定位，高效地响应用户的请求，给工作带来影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找的方法，该方法简单易行，能够进行快速定位，高效地响应用户的请求，可以有效提高IP路由查找的效率。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找的方法，其特征在于，采用C、C++语言编程实现，运行于基于X86架构的PC服务器，或运行在防火墙、路由器网络设备中，其方法为：

(一)：创建IP地址库加载到内存中的数据结构

1)首先执行初始化操作，将IP地址库加载到内存中来，建立“第一段表”进行A、B类地址分别进行处理，将高8位＜128的IP地址库列入A类，强高8位＞128IP的地址库列入B类，并初始化该表中的内容为0；

2)如果没有更多的IP地址记录，则结束；

否则读取一个IP地址库中的IP地址/MASK对，先根据IP地址判断是A类还是B类地址，如果在“第一段表”中的指针为0，并且是A类地址，执行步骤3)；如果在“第一段表”中的指针为0，并且是B类地址，则执行步骤6)；如果在“第一段表”中的指针不为0，并且是A类地址，得到表项中指针指向的“MASK桶索引表”，并转向步骤4)；否则，得到表项中指针指向的“MASK桶索引表”，执行步骤7)；

3)创建一个表项数为24个的“MASK桶索引表”，将所有表项初始化为0；

4)根据掩码1的位数在“MASK桶索引表”中定位到相应的表项，如果该表项的指针为0，创建一个新的“IP顺序查找表”，并将该表项的指针指向新的“IP顺序查找表”；

5)在上一步得到的“IP顺序查找表中”将新的IP插入，并转到步骤2)；

6)创建一个新的“第二段表”，将所有表项初始化为0，并将“第一段表”中该项的指针指向新创建的“第二段表”；

7)根据IP地址的次高8定位当前“第二段表”中的表项，判断表项中的指针值是否为0，如果是，创建一个表项数为16个的“MASK桶索引表”，并将所有表项初始化为0，并最后转到步骤4)；

二)快速查找的方法：

1)根据传入的IP地址判断是A类还是B类地址，并根据IP地址高8位在“第一段表”中定位表项，如果表项中的指针值为0，则返回未匹配错误；

2)如果是A类地址，根据步骤1)中得到的指针，获取“MASK桶索引表”的地址，并转到步骤4)执行；

3)如果是B类地址，根据步骤1)中得到的指针，获取“第二段表”的地址，并根据IP地址次高8位在当前“第二段表”中定位表项，如果表项中的指针值为0，则返回未匹配错误。否则，根据该指针值，得到“MASK桶索引表”的地址；

4)对得到的“MASK桶索引表”的地址，按照掩码1的位数，从多到少，依次对“IP顺序查找表”进行二分查找，如果找到，则返回匹配正确信息，否则返回未匹配错误。

本发明对IP地址库按照掩码的位数进行分类组成“MASK桶索引表”，最多32类，由于A类IP地址的掩码1的位数最少是8位，实际我们只要考虑32-8＝24类即可。我们对每一类掩码建立一个顺序表，即“IP顺序查找表”，按照实际IP地址(32位无符号整型数)依次排列。查找的时候，按照从掩码1的位数最多的表开始查找，在表中用二分查找方式进行快速查找，如果找到，立即停止。如果没有找到，依次查遍24个类别的表，如果还未找到，则返回匹配失败并停止。由于按照掩码1的位数最多的表开始查找，满足了最长匹配的要求。同时通过二分查找，有效地提高了查找速度，对于一个有n条记录的IP地址库，如果它们的掩码是平均分布的，并且查找成功和失败的几率也是平均的，那么我们估算，大约平均经过12×Log₂(n/24)次比较就可以完成查找。

为了加速查找，本发明对IP地址的第一段(即高8位)建立一个256个项目的索引表，即“第一段表”，对IP地址先按高8位进行初步分类，每个索引项是一个指针，要么为0，要么为指向上面所述的“MASK桶索引表”。这样由于“第一段表”可以根据传入的IP地址的高8位进行一次定位，进行一次判断就可以判定该IP在表中是否存在，或者是否需要进行进一步匹配，而“MASK桶索引表”下对应的每个“IP顺序查找表”的规模缩小了256倍，这样二分查找的比较次数最多缩小了Log₂256＝8次，因此如果按照平均需要查找12个“IP顺序查找表”来算，那么实际平均最多减少了8×12-1＝95次比较。

如果空间允许，本发明还可以进行进一步的优化，如图1所示。用来提高对B类地址(这里包括RFC中规定的B类，C类，D类，E类地址)的查找。如果预先知道所有A类地址的细分的子网，并且子网掩码1的位数达到并超过了16位，那么同样可以对A类地址进行优化查找。优化的方法是这样的：

与上面的优化原理一样，取IP地址的第二段(即次高8位)建立一个256个项目的索引表，即“第二段表”，“第一段表”中的指针要么为0，要么指向“第二段表”，对IP地址按照次高8位进行进一步的分类，每个索引项是一个指针，要么是0，要么是指向“MASK桶索引表”。这样，查找的时候，先按IP地址的高8位在“第一段表”中进行直接定位，然后用次高8位在“第二段表”中进行另外一次直接定位，最后在“MASK桶索引表”中按照掩码1的位数，从多到少依次进行二分查找。由于在这种情况下，掩码1的位数最少有16位，因此，这里“MASK桶索引表”中只要16个桶就可以了。这样，可以进一步减少比较的次数，从而用空间换取了时间，提高了查找的效率。

本发明的优点是方法简单易行，在尽量少占用内存空间的情况下大大提高了查找的效率。

附图说明

图1为将IP地址库加载到内存中数据结构示意图；

图2为5个IP段组成的地址库数据结构示意图；

图3为本发明的实现方法的查找操作的步骤流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，为将IP地址库加载到内存中数据结构示意图，所述的一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找方法，其操作步骤是：

1)首先执行初始化操作，将IP地址库加载到内存中来，建立如图1所示的数据结构。“第一段表”和“第二段表”每个表都有256个表项，两个表的表项的数据结构定义如下：

“第一段表”的数据结构定义
			名称(name)	类型(type)	含义(Description)
指针类型标记	Bool	true表示“下级表指针”指向“MASK桶索引表”，false表示“下级表指针”指向“第二段表”
			下级表指针	Void*	指向下一级表的指针，如果为空，表示没有该路由项。

“第二段表”的数据结构定义
			名称(name)	类型(type)	含义(Description)
下级表指针	void*	指向下一级表的指针，如果为空，表示没有该路由项。

“MASK桶索引”的表项数量不固定，按照掩码1的位数从少到多排列“MASK桶指针”，数据结构定义如下：

“MASK桶索引”的数据结构定义
			名称(name)	类型(type)	含义(Description)
MASK桶数	int	指明本索引下有多少个表项。
			MASK桶指针数组	指针数组	指向MASK桶的数组。

“IP顺序查找表”是一个可随机查找的数组，将每个表项按照IP地址的32位无符号整型数的大小按照从小到大顺序排列，如果采用标准C++库，可以用vector对象来实现，如果采用标准C，采用以下数据结构定义：

“IP顺序查找表”的数据结构定义
			名称(name)	类型(type)	含义(Description)
本桶中的当前表项数量	int	指明本桶中的当前表项的数量。
			本桶可容纳的最大表项	int	指明本桶可以容纳的最大表项的数量。
IP地址数组	64位无符号整型数组	高32位用来存放IP地址，低32位用来存放指向该IP地址对应的信息的指针。

在加载IP地址库的时候，该结构可动态进行分配，当新加入表项前，“本桶中的当前表项数量”和“本桶可容纳的最大表项”相等时，需要为该桶重新分配更大的空间，并用得到的新地址更新在“MASK桶索引”中的相应的指针。

如图2所示，为5个IP段组成的地址库数据结构示意图，

假设有以下5个IP段组成的地址库：

序号	子网IP	MASK
			1	61.175.0.0	255.255.0.0
2	62.2.0.0	255.254.0.0
			3	62.4.0.0	255.254.0.0
4	129.27.4.0	255.255.255.0
			5	202.57.3.128	255.255.255.128

那么初始化过程如下：

首先初始化“第一段表”，表项全部清零。

读取第一个IP段，61.175.0.0/255.255.0.0，因为子网IP的第一段为61，所以是A类地址。并且通过MASK值知道，掩码位数为16位，并且子网IP对应的4字节32位无符号数表示为：0x3DAF0000。

因为在“第一段表”中，序号为61的项当时为0，所以，创建一个“MASK桶索引”，并将其所有表项初始化为0，然后在“第一段表”的序号61的项中填入指向新创建的“MASK桶索引”的指针。

根据掩码位数为16，由于新创建的“MASK桶索引”表的第16-8＝8项为0，表示尚未创建该MASK对应的“IP列表”，则创建一个可动态分配空间的“IP列表”(如动态数组方式)，并将当前“MASK桶索引”的第7项的值指向新创建的“IP列表”，然后在该“IP列表”中加入0x3DAF0000，并完成对第一个IP段的处理。

读取第二个IP段，62.2.0.0/255.254.0.0，它为A类地址，掩码位数15位，子网IP对应的4字节32位无符号数表示为：0x3E020000。

初始化操作步骤与第一个步骤类似。

读取第三个IP段，62.4.0.0/255.254.0.0，它为A类地址，掩码位数15位，子网IP对应的4字节32位无符号数表示为：0x3E040000。

由于“第一段表”中的序号为62的表项经过第二个IP段的处理，已经不为0，所以没有必要创建新的“MASK桶索引”，而根据该表项所设置的指针，得到原先创建的“MASK桶索引”，另外，由于第15-8＝7的表项中的指针值不为0，因此，根据该指针值得到“IP列表”，并将0x3E040000的值按从小到大的顺序填入该“IP列表”中。

读取第四个IP段，129.27.4.0/255.255.255.0，它为B类地址，掩码位数24位，子网IP对应的4字节32位无符号数表示为：0x811B0400。

创建一个“第二段表”，并将该表的所有表项清0，在“第一段表”的序号为129的表项中设置指针指向“第二段表”。

然后再创建一个新的“MASK桶索引”，并将当前“第二段表”的序号为27的表项中设置指针指向新的“MASK桶索引”，接下去的操作和第一个IP段的处理一样。

读取第五个IP段，202.57.3.128/255.255.255.128，它为C类地址，在本文中归为B类，掩码位数为25位，子网IP对应的4字节32位无符号数表示为：0xCA390380。

操作过程和第四个IP段的处理一样，经过初始化，已经创建了如下图3的数据结构。

如图3所示，为本发明的实现方法的查找操作的步骤流程图，

查找的操作步骤如下：

1)根据传入的IP地址判断是A类还是B类地址，并根据IP地址高8位在“第一段表”中定位表项，如果表项中的指针值为0，则返回未匹配错误；

2)如果是A类地址，根据步骤1)中得到的指针，获取“MASK桶索引表”的地址，并转到步骤4)执行。

3)如果是B类地址，根据步骤1)中得到的指针，获取“第二段表”的地址，并根据IP地址次高8位在当前“第二段表”中定位表项，如果表项中的指针值为0，则返回未匹配错误。否则，根据该指针值，得到“MASK桶索引表”的地址；

4)对得到的“MASK桶索引表”的地址，按照掩码1的位数，从多到少，依次对“IP顺序查找表”进行二分查找，如果找到，则返回匹配正确信息，否则返回未匹配错误。

下面，对以上初始化建立的结构进行查找操作。

判断61.176.1.1，62.3.1.4，202.58.3.129三个IP地址是否在IP地址库中。

对于61.176.1.1，该IP地址对应的4字节32位无符号数表示为0x3DB00101。由于该IP地址第一段为61，则在“第一段表”得到序号61的指针值，并根据指针值得到其指向的“MASK桶索引”。

然后按照掩码1的位数从多到少，依次对“MASK桶索引”进行扫描，因为只有序号为8的表项，即对应MASK位数为16的表项指针值不为0，所以根据该指针值，得到其指向的“IP列表”，因为MASK位数为16的4字节32位无符号数表示为0xFFFF0000，需要查找的IP地址为0x3DB00101，其对应的IP段的值为0x3DB00101&0xFFFF0000＝0x3DB00000，而IP列表中只有0x3DAF0000的表项，因为该IP地址不在IP地址库中。

对于62.3.1.4，该IP地址对应的4字节32位无符号数表示为0x3E030104。由于该IP地址第一段为62，则在“第一段表”得到序号62的指针值，并根据指针值得到其指向的MASK桶索引。

然后按照掩码1的位数从多到少对MASK桶索引进行扫描，因为只有序号为7的表项，即对应MASK位数为15的表项指针值不为0，所以根据该指针值，得到其指向的“IP列表”，因为MASK位数为15的4字节32位无符号数表示为0xFFFE0000，需要查找的IP地址为0x3E030104，其对应的IP段的值为0x3E030104&0xFFFE0000＝0x3E020000，而IP列表中确实有0x3E020000的表项，因为该IP地址在IP地址库中。由于IP列表中的值是按照32位无符号数值的大小从小到大按顺序排列，所以实际查找过程中可以采用二分算法进行查找。

对于202.58.3.129，该IP地址对应的4字节32位无符号数表示为0xCA3A0381。由于该IP地址第一段为202，则在“第一段表”得到序号202的指针值，并根据指针值得到其指向的“第二段表”。

由于该IP地址第二段为58，由于当前“第二段表”中序号为58的表项指针值为0，表示其下面没有“MASK桶索引”，因此，可以立即断定该IP地址肯定不在IP地址库中。

Claims (1)

1.一种基于内存的IP地址最长匹配快速查找的方法，其特征在于，采用C、C++语言编程实现，运行于基于X86架构的PC服务器，或运行在防火墙、路由器网络设备中，其方法为：

(一)：创建IP地址库加载到内存中的数据结构

1)首先执行初始化操作，将IP地址库加载到内存中来，建立“第一段表”进行A、B类地址分别进行处理，将高8位＜128的IP地址库列入A类，强高8位＞128IP的地址库列入B类，并初始化该表中的内容为0；

2)如果没有更多的IP地址记录，则结束；

否则读取一个IP地址库中的IP地址/MASK对，先根据IP地址判断是A类还是B类地址，如果在“第一段表”中的指针为0，并且是A类地址，执行步骤3)；如果在“第一段表”中的指针为0，并且是B类地址，则执行步骤6)；如果在“第一段表”中的指针不为0，并且是A类地址，得到表项中指针指向的“MASK桶索引表”，并转向步骤4)；否则，得到表项中指针指向的“MASK桶索引表”，执行步骤7)；

3)创建一个表项数为24个的“MASK桶索引表”，将所有表项初始化为0；

4)根据掩码1的位数在“MASK桶索引表”中定位到相应的表项，如果该表项的指针为0，创建一个新的“IP顺序查找表”，并将该表项的指针指向新的“IP顺序查找表”；

5)在上一步得到的“IP顺序查找表中”将新的IP插入，并转到步骤2)；

6)创建一个新的“第二段表”，将所有表项初始化为0，并将“第一段表”中该项的指针指向新创建的“第二段表”；

7)根据IP地址的次高8定位当前“第二段表”中的表项，判断表项中的指针值是否为0，如果是，创建一个表项数为16个的“MASK桶索引表”，并将所有表项初始化为0，并最后转到步骤4)；

(二)快速查找的方法：

1)根据传入的IP地址判断是A类还是B类地址，并根据IP地址高8位在“第一段表”中定位表项，如果表项中的指针值为0，则返回未匹配错误；

2)如果是A类地址，根据步骤1)中得到的指针，获取“MASK桶索引表”的地址，并转到步骤4)执行。

3)如果是B类地址，根据步骤1)中得到的指针，获取“第二段表”的地址，并根据IP地址次高8位在当前“第二段表”中定位表项，如果表项中的指针值为0，则返回未匹配错误。否则，根据该指针值，得到“MASK桶索引表”的地址；

4)对得到的“MASK桶索引表”的地址，按照掩码1的位数，从多到少，依次对“IP顺序查找表”进行二分查找，如果找到，则返回匹配正确信息，否则返回未匹配错误。

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