CN1319325C

CN1319325C - 一种采用哈希链表查找路由表项的方法

Info

Publication number: CN1319325C
Application number: CNB031098789A
Authority: CN
Inventors: 赵宁
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: CN1538663A

Abstract

一种采用哈希(Hash)链表查找路由表项的方法，是将48位的介质访问控制层(MAC)地址分段后分别进行逻辑运算后得到的结果作为索引，组成Hash表的一级表项；再将一级表项内容相同的所有MAC地址，即采用地址分段分别进行逻辑运算后结果相同的所有地址，采用链表形式挂接在一级表项之后，作为二级表项的路由表；然后，根据该一二级索引表查找介质访问控制层的二层路由转发表。其中将48位的MAC地址分段是将该48位MAC地址均分为三个各16位地址，而逻辑运算是异或运算。本发明方法的优点是实现方法简单，大大降低了内存空间，同时，不降低查找效率；其查找效率和传统的逐级查找算法属于同一数量级。

Description

一种采用哈希链表查找路由表项的方法

技术领域

本发明涉及一种在交换机中查找路由表项的方法，确切地说，涉及一种采用哈希(Hash)链表查找路由表项的方法，属于数据交换网络技术领域。

背景技术

在二层交换机中，在实现二层路由的学习、转发、以及相应的组播转发功能时，为了提高路由转发的效率，对大容量路由表项的查找大多采用Hash存储查找方法；也就是：建立一个一级和二级Hash查找表作为路由索引，实现48位介质访问控制层(MAC，Medium Access Control Layer)地址和二层路由表项的一一对应，根据这个索引可以查找到介质访问控制层的二层路由转发表以及相应的组播转发过滤表。Hash查找的时间和空间的复杂度是影响二层路由转发效率的关键因素之一。目前采用的Hash查找方法使用的是逐级查找方法，当介质访问控制层的地址分布不均匀时，会耗费大量的内存。

图1展示了目前采用的HASH表进行逐级查找的示意图。图1中的Hash逐级查找方法只示意了通过一级索引表和二级索引表的二级逐层查找来完成表项查找的过程。其中所谓的一级索引表是以MAC地址的低16位组成的，共64K(2¹⁶)个表项，而每层的二级索引表则是由MAC地址中的低16位之前的高4位(即第17-20位)组成的一个16(2⁴)个表项的较小的表。查找的时候，首先根据MAC地址的低16位查找一级Hash索引表，如果没有发生冲突，即其低16位地址不同，则根据该一级表项存储的相应地址端口路由表的地址进行后续处理，通常是直接转入对应的二级表项的地址端口表。如果该低16位相同(通常称之为“冲突”)，那么就继续查找和比较高4位(即第17-20位)的二级表项来匹配，如果找到匹配的表项，则根据二级表项存储的相应二层端口路由表的地址进行后续处理。如果还找不到匹配的表项，则需要再上溯更高4位(即第21-24位)组成的、大小也是16(2⁴)个表项的二级索引表(或称之为三级索引表)继续进行匹配，直到找到一个匹配的表项为止。也就是说，每个一级索引表项在冲突的时候会扩展为高4位的16个地址的二级索引表，该二级索引表项的结构和一级索引表是完全相同的，每层二级索引查找表能够匹配4位的查找；如果又出现该4位的冲突，那么再进行下一层三级索引表的匹配，如此循环进行查找，直到找到为止。这样，在最坏的情况下，如果两个MAC地址中只有其最高的4位(即第45-48位)不同，就需要顺序进行了二级、三级、...九级索引表项的查找，也就是一共需要建立(48-16)/4+1＝9级索引表项进行匹配比较，这样就会存在大量的空间浪费。

下面所示的表1就是一级HASH索引表项的查找表。

	63	…	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
	63	…	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0	0	Rev.			Index(i)

现在使用的Hash逐级查找方法所需要的资源计算如下：一级索引表使用16位查找，需要的资源为：(64K×8)个字节；二级索引表每次使用4位查找，每个表需要的资源为：(16×8)个字节。假设在系统中最多能够支持N个二层路由表项的学习和转发。在最好情况下，网络中的MAC地址均匀分布，一级索引表中所有的表项被全部利用，而每次冲突时扩展的二级索引表中的表项也全部利用，即没有一个表项是空闲的(当然，在现实生活中这种理想情况几乎是不可能出现的)。这样，Hash表需要的内存资源为：

一级Hash索引表所需的资源：64K×8＝512K(字节)

二级Hash索引表所需的资源：N×8＝8N(字节)

总计：(512K+8N)字节。

而在最坏情况下，网络中的MAC地址分布极不均匀，所有MAC地址的低16位都相同，导致一级索引表中的表项利用率极低，即只使用了一项。为了能找到一个匹配的MAC地址，不得不多次地进行高4位上溯匹配查找。在第一次扩展到二级索引表项时，其二级索引表项的数量级为16。之后，每上溯一次，其数量级都要乘以16，且最多可以上溯8次，因此其数量级最多可达到16⁸＝2³²。如果每次扩展的二级索引表项中大多数又是无用的，就会浪费大量的空间；而且，越到最后(即MAC地址的高比特)，浪费的空间越大。通常，当MAC地址分布非常集中，即低比特大量重复时，就会出现这种情况。这样，Hash表需要的内存资源为：一级Hash表所需资源：64K×8＝512K(字节)，

二级Hash表所需资源：N×8(字节)+大量浪费的空间(数量级2³¹×8字节)。

从上述分析可以看出，Hash逐级查找方法的最大缺点是空间的浪费相当严重，尤其是在MAC地址分布不均匀的时候。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用Hash链表查找路由表项的方法，用于替代原有的逐级查找方法，以便能够显著地节省内存空间，同时不降低查找效率。

本发明的目的是这样实现的：一种采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：该方法是将48位的介质访问控制层MAC地址分段，然后对分段后的各个地址之间分别进行逻辑运算，并以得到的结果作为索引，组成Hash表的一级表项；再将一级表项内容相同的所有MAC地址，采用链表形式挂接在一级表项之后，作为二级表项的路由表；最后，根据该一二级表项组成的索引表查找介质访问控制层的二层路由转发表。

所述的将48位的MAC地址分段是将该48位MAC地址均分为三个各16位地址。

所述的逻辑运算是异或运算。

所述的链表形式是指：把所有的MAC地址利用地址分段分别进行逻辑运算后，其结果相同的所有路由表项通过标志位和指针顺序连接起来，形成一个链状的表。

所述的路由表项中的所述标志位是尾标记，用于标识当前的路由表项是否为链表尾，即在当前的路由表项的后面是否还有其它的有效表项；所述指针是后向指针，用于在链表搜索过程中指向下一个有效的二级表项。

所述的路由表项中的所述标志位还包括头标记，用于标识当前的路由表项是否为链表头，即在当前的路由表项的前面是否还有其它的有效表项；所述指针包括前向指针，用于在链表搜索过程中指向前一个有效的二级表项。

所述的Hash表的一级表项的个数最多有64K个，基于组网的实际需要和系统性价比的考虑，可以只使用16K个。

该方法的具体操作步骤是：

A、建立一级表项的索引：取MAC地址的高、中、低各16位分别进行异或，以最终结果的16位作为查找二级表项的索引；

B、建立二级表项-路由表：将每个一级表项中所有内容相同的各个MAC地址，采用链表形式顺序连接作为与该一级表项相对应的二级表项；

C、将需要寻找路由表项的某个MAC地址的高、中、低各16位分别进行异或，以其最终结果的16位作为索引，在一级表项进行查找；

D、如果查找到的相应的一级表项内容是一个非法值，则本次查找失败；

E、如果查找到的相应的一级表项内容是一个合法值，则以该值为索引，查找二级表项；

F、读取步骤E中找到的某个二级表项的内容，比较其中的MAC地址是否与给定的MAC地址相同，如果两者相同，则查找成功；否则，以步骤E中找到的某个二级表项中的后向指针作为索引，查找该链表中的下一个二级表项；

G、多次执行步骤F，以查找与给定的MAC地址相同的二级表项；如果直到该链表的链表尾，也没有找到一个二级表项中的MAC地址与给定的MAC地址相同，则本次查找失败。

所述的步骤D中一级表项内容是一个非法值，表示该一级表项内容没有对应的二级表项，无法继续查找；该非法值的数值特征应事先设置或规定。

本发明是一种采用新的Hash存储内容和以链表方式查找路由表项的方法，该方法总体和传统的逐级查找方法是一样的，也是使用一二级查找的模式，其主要区别在于二级查找的时候，二级表项不是采用逐级查找，而是采用链表形式查找。另外，对一级表项和二级表项的定义也有所不同：一级表项的定义是：先对MAC地址采用地址分段方法分别进行逻辑运算，例如将MAC地址的高、中、低各16位比特进行异或，然后用得到的最终结果16位作为索引，构建大小为64K(可简化为16K)的一级Hash存储查找表。二级表项的组成是将一级表项内容相同的所有MAC地址(例如将MAC地址的高、中、低各16位地址异或后结果相同的所有MAC地址)，采用链表的形式挂接在一级表项后面，同时提供相关的查找指针。其结果是为了最大限度地减少冲突的可能，提高查找的效率。

本发明的Hash链表查找方法的最大优点是大大节省了内存资源的占用。简单计算如下：如果一级表项使用16位查找，需要资源为(64K×8)个字节，二级表项并不使用单独的索引，只是在二层交换路由表中增加8个字节，用于存储两个标志位和两个指针，以便建立二层交换路由表中的各个表项之间的双向查找链表。其中前向指针和后向指针分别占用两个字节，每个标志位各占用一个比特，剩余的30比特则作为今后功能扩展时备用。同样，假设在系统中最多支持N个二层路由表项的学习和转发。则建立Hash表所需内存资源为：

一级Hash表所需资源：64K×8＝512K(字节)

二级Hash表所需资源：N×8＝8N(字节)

总计：(512K+8N)字节。

对比前面的分析可知，本发明Hash链表的查找方法所需的内存资源等于逐级查找方法的理想情况，比后者的平均情况(即进行4位匹配上溯查找4次，平均浪费的空间的数量级为2¹⁵×8字节，因此，总的空间资源耗费为：512K+8N+2¹⁵×8字节)节省的内存空间的数量级为2¹⁵×8字节。假设N＝64K，则节省的空间比例大约是25％。

从查找效率上来看，本发明链表查找方法使用了地址分段进行逻辑运算的方法，均匀分散了MAC地址的分布，最大限度地降低了冲突的可能性，使得每个一级表项后面所挂的二级表项的个数比较少。假设N＝64K，则大多数二层转发路由表可以在1到2次内查找到。这样，链表查找算法和逐级查找算法的查找效率在数量级上是相同的。

因此，本发明方法的优点是其实现方法简单，大大降低了内存资源的占用。同时，查找效率和逐级查找算法的效率是同一数量级的。

附图说明

图1是现在使用的HASH表的逐级查找方法示意图。

图2是本发明HASH表的链表查找方法的一实施例示意图。

图3是本发明采用Hash链表查找路由表项的一实施例操作步骤流程图。

具体实施方式

参见图2，本发明是一种采用Hash链表查找路由表项的方法，该方法是将48位的介质访问控制层(MAC)地址分段后分别进行逻辑运算后得到的结果作为索引，组成Hash表的一级表项；再将一级表项内容相同的所有MAC地址，即采用地址分段后分别进行逻辑运算后结果相同的所有地址，采用链表形式(也就是把所有的采用MAC地址分段后分别进行逻辑运算后，其结果相同的所有路由表项通过标志位和指针顺序连接起来，形成一个链状的表。)挂接在一级表项之后，作为二级表项的路由表；然后，根据该一二级索引表查找介质访问控制层的二层路由转发表。

其中将48位的MAC地址采用地址分段方法是将该48位MAC地址均分为三个各16位地址。而逻辑运算是异或运算。

图2中表示了路由表项中的两个标志位-头标记和尾标记-分别占用1个比特，它们用于标识当前的该路由表项是否为链表头h(即head的缩写)和链表尾t(即tail的缩写)，即在当前的该路由表项的前面和后面是否还有其它的有效表项。当路由表项中的头标记h＝1，表示该路由表项是链表头，在它前面没有其它的有效表项；而路由表项中的头标记h＝0，表示该路由表项不是链表头，在它前面还有其它的有效表项。当路由表项中的尾标记t＝1，表示该路由表项是链表尾，在它后面没有其它的有效表项；而路由表项中的尾标记t＝0，表示该路由表项不是链表尾，在其后面还有其它的有效表项。图2中利用h和t的不同数值表示了一级表项Index0、Index1和Index2分别有一个二级路由表项、若干个二级路由表项和两个二级路由表项。

图2还展示了本发明的路由表项中的后向指针(图示为next pointer)，该指针用于在链表搜索过程中指向下一个有效的二级表项，其所指向的路由表项的MAC地址的16位地址异或后的结果与当前表项的MAC地址的16位地址异或后的结果相同。前向指针的功能与后向指针相同，图2中省略而没有展示之。

本发明的Hash表的一级表项的个数最多可以有64K，基于组网的实际需要和系统性价比的考虑，可以只使用16K个，以简化存储和查找操作。

参见图3，本发明方法的一实施例具体操作步骤的流程图说明如下：

A、建立一级表项的索引，其方法是取MAC地址的高、中、低各16位分别进行异或，以最终结果(16位)作为查找二级表项的索引；

B、建立二级表项-路由表，其方法是将每个一级表项中所有内容相同的各个MAC地址，采用链表形式顺序连接作为与该一级表项相对应的二级表项；

C、将需要寻找路由表项的某个MAC地址的高、中、低各16位分别进行异或，以其最终结果(16位)作为索引，在一级表项进行查找；

D、如果查找到的相应的一级表项内容是一个非法值，即该一级表项内容没有对应的二级表项，无法继续查找，则本次查找失败；该非法值的数值特征应事先设置或规定，例如以最高位比特数值、某个或某些特定数值进行判断；

F、读取步骤E中找到的某个二级表项的内容，比较其中的MAC地址是否与给定的MAC地址相同，如果两者相同，则查找成功；否则，以步骤E中找到的某个二级表项中的后向指针(Next Pointer)作为索引，查找该链表中的下一个二级表项；

Claims

1、一种采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：该方法是将48位的介质访问控制层MAC地址分段，然后对分段后的各个地址之间分别进行逻辑运算，并以得到的结果作为索引，组成Hash表的一级表项；再将一级表项内容相同的所有MAC地址，采用链表形式挂接在一级表项之后，作为二级表项的路由表；最后，根据该一二级表项组成的索引表查找介质访问控制层的二层路由转发表。

2、根据权利要求1所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的将48位的MAC地址分段是将该48位MAC地址均分为三个各16位地址。

3、根据权利要求1所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的逻辑运算是异或运算。

4、根据权利要求1所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的链表形式是指：把所有的MAC地址利用地址分段分别进行逻辑运算后，其结果相同的所有路由表项通过标志位和指针顺序连接起来，形成一个链状的表。

5、根据权利要求4所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的路由表项中的所述标志位是尾标记，用于标识当前的路由表项是否为链表尾，即在当前的路由表项的后面是否还有其它的有效表项；所述指针是后向指针，用于在链表搜索过程中指向下一个有效的二级表项。

6、根据权利要求4或5所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的路由表项中的所述标志位还包括头标记，用于标识当前的路由表项是否为链表头，即在当前的路由表项的前面是否还有其它的有效表项；所述指针包括前向指针，用于在链表搜索过程中指向前一个有效的二级表项。

7、根据权利要求1所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的Hash表的一级表项的个数最多有64K个，基于组网的实际需要和系统性价比的考虑，可以只使用16K个。

8、根据权利要求1或2或3所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：该方法的具体操作步骤是：

9、根据权利要求8所述的采用Hash链表查找路由表项的方法，其特征在于：所述的步骤D中一级表项内容是一个非法值，表示该一级表项内容没有对应的二级表项，无法继续查找；该非法值的数值特征应事先设置或规定。