專利名稱：一種基于內(nèi)存的ip地址最長匹配快速查找的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于內(nèi)存的IP地址最長匹配快速查找的方法，可實現(xiàn)IP路由查找、軟件防火墻規(guī)則表查找、基于IP方式的負(fù)載均衡系統(tǒng)的IP表查找，屬于數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在基于IP方式的負(fù)載均衡系統(tǒng)中，經(jīng)常需要根據(jù)請求用戶的IP地址來判斷該用戶所在的地區(qū)，并根據(jù)用戶所在的地區(qū)，將用戶的請求重定向到與該用戶最近的服務(wù)器為用戶提供服務(wù)。
譬如，面向全省或者全國各地的流服務(wù)，特別需要使用此方法向用戶提供就近服務(wù)，以便提高服務(wù)質(zhì)量。目前用戶向系統(tǒng)重定向器發(fā)起請求，重定向器根據(jù)發(fā)起請求的用戶的IP地址，與系統(tǒng)中已經(jīng)預(yù)先錄入的成千上萬條IP段按照最長匹配方式進(jìn)行一個一個匹配，得到該用戶所在的地區(qū)，并根據(jù)用戶所在的地區(qū)將用戶的請求重定向到離用戶最近的服務(wù)器，由于所有的用戶都會向重定向器發(fā)起請求，采用依次查找的方式查找速度慢，以至于不能夠進(jìn)行快速定位，高效地響應(yīng)用戶的請求，給工作帶來影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于內(nèi)存的IP地址最長匹配快速查找的方法，該方法簡單易行，能夠進(jìn)行快速定位，高效地響應(yīng)用戶的請求，可以有效提高IP路由查找的效率。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于內(nèi)存的IP地址最長匹配快速查找的方法，其特征在于，采用C、C++語言編程實現(xiàn)，運(yùn)行于基于X86架構(gòu)的PC服務(wù)器，或運(yùn)行在防火墻、路由器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，其方法為(一)創(chuàng)建IP地址庫加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1)首先執(zhí)行初始化操作，將IP地址庫加載到內(nèi)存中來，建立“第一段表”進(jìn)行A、B類地址分別進(jìn)行處理，將高8位＜128的IP地址庫列入A類，強(qiáng)高8位＞128IP的地址庫列入B類，并初始化該表中的內(nèi)容為0；2)如果沒有更多的IP地址記錄，則結(jié)束；否則讀取一個IP地址庫中的IP地址/MASK對，先根據(jù)IP地址判斷是A類還是B類地址，如果在“第一段表”中的指針為0，并且是A類地址，執(zhí)行步驟3)；如果在“第一段表”中的指針為0，并且是B類地址，則執(zhí)行步驟6)；如果在“第一段表”中的指針不為0，并且是A類地址，得到表項中指針指向的“MASK桶索引表”，并轉(zhuǎn)向步驟4)；否則，得到表項中指針指向的“MASK桶索引表”，執(zhí)行步驟7)；3)創(chuàng)建一個表項數(shù)為24個的“MASK桶索引表”，將所有表項初始化為0；4)根據(jù)掩碼1的位數(shù)在“MASK桶索引表”中定位到相應(yīng)的表項，如果該表項的指針為0，創(chuàng)建一個新的“IP順序查找表”，并將該表項的指針指向新的“IP順序查找表”；5)在上一步得到的“IP順序查找表中”將新的IP插入，并轉(zhuǎn)到步驟2)；6)創(chuàng)建一個新的“第二段表”，將所有表項初始化為0，并將“第一段表”中該項的指針指向新創(chuàng)建的“第二段表”；7)根據(jù)IP地址的次高8定位當(dāng)前“第二段表”中的表項，判斷表項中的指針值是否為0，如果是，創(chuàng)建一個表項數(shù)為16個的“MASK桶索引表”，并將所有表項初始化為0，并最后轉(zhuǎn)到步驟4)；二)快速查找的方法1)根據(jù)傳入的IP地址判斷是A類還是B類地址，并根據(jù)IP地址高8位在“第一段表”中定位表項，如果表項中的指針值為0，則返回未匹配錯誤；2)如果是A類地址，根據(jù)步驟1)中得到的指針，獲取“MASK桶索引表”的地址，并轉(zhuǎn)到步驟4)執(zhí)行；3)如果是B類地址，根據(jù)步驟1)中得到的指針，獲取“第二段表”的地址，并根據(jù)IP地址次高8位在當(dāng)前“第二段表”中定位表項，如果表項中的指針值為0，則返回未匹配錯誤。否則，根據(jù)該指針值，得到“MASK桶索引表”的地址；4)對得到的“MASK桶索引表”的地址，按照掩碼1的位數(shù)，從多到少，依次對“IP順序查找表”進(jìn)行二分查找，如果找到，則返回匹配正確信息，否則返回未匹配錯誤。
本發(fā)明對IP地址庫按照掩碼的位數(shù)進(jìn)行分類組成“MASK桶索引表”，最多32類，由于A類IP地址的掩碼1的位數(shù)最少是8位，實際我們只要考慮32-8＝24類即可。我們對每一類掩碼建立一個順序表，即“IP順序查找表”，按照實際IP地址(32位無符號整型數(shù))依次排列。查找的時候，按照從掩碼1的位數(shù)最多的表開始查找，在表中用二分查找方式進(jìn)行快速查找，如果找到，立即停止。如果沒有找到，依次查遍24個類別的表，如果還未找到，則返回匹配失敗并停止。由于按照掩碼1的位數(shù)最多的表開始查找，滿足了最長匹配的要求。同時通過二分查找，有效地提高了查找速度，對于一個有n條記錄的IP地址庫，如果它們的掩碼是平均分布的，并且查找成功和失敗的幾率也是平均的，那么我們估算，大約平均經(jīng)過12×Log2(n/24)次比較就可以完成查找。
為了加速查找，本發(fā)明對IP地址的第一段(即高8位)建立一個256個項目的索引表，即“第一段表”，對IP地址先按高8位進(jìn)行初步分類，每個索引項是一個指針，要么為0，要么為指向上面所述的“MASK桶索引表”。這樣由于“第一段表”可以根據(jù)傳入的IP地址的高8位進(jìn)行一次定位，進(jìn)行一次判斷就可以判定該IP在表中是否存在，或者是否需要進(jìn)行進(jìn)一步匹配，而“MASK桶索引表”下對應(yīng)的每個“IP順序查找表”的規(guī)?？s小了256倍，這樣二分查找的比較次數(shù)最多縮小了Log2256＝8次，因此如果按照平均需要查找12個“IP順序查找表”來算，那么實際平均最多減少了8×12-1＝95次比較。
如果空間允許，本發(fā)明還可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，如圖1所示。用來提高對B類地址(這里包括RFC中規(guī)定的B類，C類，D類，E類地址)的查找。如果預(yù)先知道所有A類地址的細(xì)分的子網(wǎng)，并且子網(wǎng)掩碼1的位數(shù)達(dá)到并超過了16位，那么同樣可以對A類地址進(jìn)行優(yōu)化查找。優(yōu)化的方法是這樣的與上面的優(yōu)化原理一樣，取IP地址的第二段(即次高8位)建立一個256個項目的索引表，即“第二段表”，“第一段表”中的指針要么為0，要么指向“第二段表”，對IP地址按照次高8位進(jìn)行進(jìn)一步的分類，每個索引項是一個指針，要么是0，要么是指向“MASK桶索引表”。這樣，查找的時候，先按IP地址的高8位在“第一段表”中進(jìn)行直接定位，然后用次高8位在“第二段表”中進(jìn)行另外一次直接定位，最后在“MASK桶索引表”中按照掩碼1的位數(shù)，從多到少依次進(jìn)行二分查找。由于在這種情況下，掩碼1的位數(shù)最少有16位，因此，這里“MASK桶索引表”中只要16個桶就可以了。這樣，可以進(jìn)一步減少比較的次數(shù)，從而用空間換取了時間，提高了查找的效率。
本發(fā)明的優(yōu)點是方法簡單易行，在盡量少占用內(nèi)存空間的情況下大大提高了查找的效率。


圖1為將IP地址庫加載到內(nèi)存中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為5個IP段組成的地址庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的實現(xiàn)方法的查找操作的步驟流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實施例如圖1所示，為將IP地址庫加載到內(nèi)存中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，所述的一種基于內(nèi)存的IP地址最長匹配快速查找方法，其操作步驟是1)首先執(zhí)行初始化操作，將IP地址庫加載到內(nèi)存中來，建立如圖1所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?！暗谝欢伪怼焙汀暗诙伪怼泵總€表都有256個表項，兩個表的表項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下


“MASK桶索引”的表項數(shù)量不固定，按照掩碼1的位數(shù)從少到多排列“MASK桶指針”，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下

“IP順序查找表”是一個可隨機(jī)查找的數(shù)組，將每個表項按照IP地址的32位無符號整型數(shù)的大小按照從小到大順序排列，如果采用標(biāo)準(zhǔn)C++庫，可以用vector對象來實現(xiàn)，如果采用標(biāo)準(zhǔn)C，采用以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

在加載IP地址庫的時候，該結(jié)構(gòu)可動態(tài)進(jìn)行分配，當(dāng)新加入表項前，“本桶中的當(dāng)前表項數(shù)量”和“本桶可容納的最大表項”相等時，需要為該桶重新分配更大的空間，并用得到的新地址更新在“MASK桶索引”中的相應(yīng)的指針。
如圖2所示，為5個IP段組成的地址庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，假設(shè)有以下5個IP段組成的地址庫

那么初始化過程如下首先初始化“第一段表”，表項全部清零。
讀取第一個IP段，61.175.0.0/255.255.0.0，因為子網(wǎng)IP的第一段為61，所以是A類地址。并且通過MASK值知道，掩碼位數(shù)為16位，并且子網(wǎng)IP對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0x3DAF0000。
因為在“第一段表”中，序號為61的項當(dāng)時為0，所以，創(chuàng)建一個“MASK桶索引”，并將其所有表項初始化為0，然后在“第一段表”的序號61的項中填入指向新創(chuàng)建的“MASK桶索引”的指針。
根據(jù)掩碼位數(shù)為16，由于新創(chuàng)建的“MASK桶索引”表的第16-8＝8項為0，表示尚未創(chuàng)建該MASK對應(yīng)的“IP列表”，則創(chuàng)建一個可動態(tài)分配空間的“IP列表”(如動態(tài)數(shù)組方式)，并將當(dāng)前“MASK桶索引”的第7項的值指向新創(chuàng)建的“IP列表”，然后在該“IP列表”中加入0x3DAF0000，并完成對第一個IP段的處理。
讀取第二個IP段，62.2.0.0/255.254.0.0，它為A類地址，掩碼位數(shù)15位，子網(wǎng)IP對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0x3E020000。
初始化操作步驟與第一個步驟類似。
讀取第三個IP段，62.4.0.0/255.254.0.0，它為A類地址，掩碼位數(shù)15位，子網(wǎng)IP對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0x3E040000。
由于“第一段表”中的序號為62的表項經(jīng)過第二個IP段的處理，已經(jīng)不為0，所以沒有必要創(chuàng)建新的“MASK桶索引”，而根據(jù)該表項所設(shè)置的指針，得到原先創(chuàng)建的“MASK桶索引”，另外，由于第15-8＝7的表項中的指針值不為0，因此，根據(jù)該指針值得到“IP列表”，并將0x3E040000的值按從小到大的順序填入該“IP列表”中。
讀取第四個IP段，129.27.4.0/255.255.255.0，它為B類地址，掩碼位數(shù)24位，子網(wǎng)IP對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0x811B0400。
創(chuàng)建一個“第二段表”，并將該表的所有表項清0，在“第一段表”的序號為129的表項中設(shè)置指針指向“第二段表”。
然后再創(chuàng)建一個新的“MASK桶索引”，并將當(dāng)前“第二段表”的序號為27的表項中設(shè)置指針指向新的“MASK桶索引”，接下去的操作和第一個IP段的處理一樣。
讀取第五個IP段，202.57.3.128/255.255.255.128，它為C類地址，在本文中歸為B類，掩碼位數(shù)為25位，子網(wǎng)IP對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0xCA390380。
操作過程和第四個IP段的處理一樣，經(jīng)過初始化，已經(jīng)創(chuàng)建了如下圖3的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，為本發(fā)明的實現(xiàn)方法的查找操作的步驟流程圖，查找的操作步驟如下1)根據(jù)傳入的IP地址判斷是A類還是B類地址，并根據(jù)IP地址高8位在“第一段表”中定位表項，如果表項中的指針值為0，則返回未匹配錯誤；2)如果是A類地址，根據(jù)步驟1)中得到的指針，獲取“MASK桶索引表”的地址，并轉(zhuǎn)到步驟4)執(zhí)行。
3)如果是B類地址，根據(jù)步驟1)中得到的指針，獲取“第二段表”的地址，并根據(jù)IP地址次高8位在當(dāng)前“第二段表”中定位表項，如果表項中的指針值為0，則返回未匹配錯誤。否則，根據(jù)該指針值，得到“MASK桶索引表”的地址；4)對得到的“MASK桶索引表”的地址，按照掩碼1的位數(shù)，從多到少，依次對“IP順序查找表”進(jìn)行二分查找，如果找到，則返回匹配正確信息，否則返回未匹配錯誤。
下面，對以上初始化建立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行查找操作。
判斷61.176.1.1，62.3.1.4，202.58.3.129三個IP地址是否在IP地址庫中。
對于61.176.1.1，該IP地址對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0x3DB00101。由于該IP地址第一段為61，則在“第一段表”得到序號61的指針值，并根據(jù)指針值得到其指向的“MASK桶索引”。
然后按照掩碼1的位數(shù)從多到少，依次對“MASK桶索引”進(jìn)行掃描，因為只有序號為8的表項，即對應(yīng)MASK位數(shù)為16的表項指針值不為0，所以根據(jù)該指針值，得到其指向的“IP列表”，因為MASK位數(shù)為16的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0xFFFF0000，需要查找的IP地址為0x3DB00101，其對應(yīng)的IP段的值為0x3DB00101&0xFFFF0000＝0x3DB00000，而IP列表中只有0x3DAF0000的表項，因為該IP地址不在IP地址庫中。
對于62.3.1.4，該IP地址對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0x3E030104。由于該IP地址第一段為62，則在“第一段表”得到序號62的指針值，并根據(jù)指針值得到其指向的MASK桶索引。
然后按照掩碼1的位數(shù)從多到少對MASK桶索引進(jìn)行掃描，因為只有序號為7的表項，即對應(yīng)MASK位數(shù)為15的表項指針值不為0，所以根據(jù)該指針值，得到其指向的“IP列表”，因為MASK位數(shù)為15的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0xFFFE0000，需要查找的IP地址為0x3E030104，其對應(yīng)的IP段的值為0x3E030104&0xFFFE0000＝0x3E020000，而IP列表中確實有0x3E020000的表項，因為該IP地址在IP地址庫中。由于IP列表中的值是按照32位無符號數(shù)值的大小從小到大按順序排列，所以實際查找過程中可以采用二分算法進(jìn)行查找。
對于202.58.3.129，該IP地址對應(yīng)的4字節(jié)32位無符號數(shù)表示為0xCA3A0381。由于該IP地址第一段為202，則在“第一段表”得到序號202的指針值，并根據(jù)指針值得到其指向的“第二段表”。
由于該IP地址第二段為58，由于當(dāng)前“第二段表”中序號為58的表項指針值為0，表示其下面沒有“MASK桶索引”，因此，可以立即斷定該IP地址肯定不在IP地址庫中。
權(quán)利要求
1.一種基于內(nèi)存的IP地址最長匹配快速查找的方法，其特征在于，采用C、C++語言編程實現(xiàn)，運(yùn)行于基于X86架構(gòu)的PC服務(wù)器，或運(yùn)行在防火墻、路由器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，其方法為(一)創(chuàng)建IP地址庫加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1)首先執(zhí)行初始化操作，將IP地址庫加載到內(nèi)存中來，建立“第一段表”進(jìn)行A、B類地址分別進(jìn)行處理，將高8位＜128的IP地址庫列入A類，強(qiáng)高8位＞128IP的地址庫列入B類，并初始化該表中的內(nèi)容為0；2)如果沒有更多的IP地址記錄，則結(jié)束；否則讀取一個IP地址庫中的IP地址/MASK對，先根據(jù)IP地址判斷是A類還是B類地址，如果在“第一段表”中的指針為0，并且是A類地址，執(zhí)行步驟3)；如果在“第一段表”中的指針為0，并且是B類地址，則執(zhí)行步驟6)；如果在“第一段表”中的指針不為0，并且是A類地址，得到表項中指針指向的“MASK桶索引表”，并轉(zhuǎn)向步驟4)；否則，得到表項中指針指向的“MASK桶索引表”，執(zhí)行步驟7)；3)創(chuàng)建一個表項數(shù)為24個的“MASK桶索引表”，將所有表項初始化為0；4)根據(jù)掩碼1的位數(shù)在“MASK桶索引表”中定位到相應(yīng)的表項，如果該表項的指針為0，創(chuàng)建一個新的“IP順序查找表”，并將該表項的指針指向新的“IP順序查找表”；5)在上一步得到的“IP順序查找表中”將新的IP插入，并轉(zhuǎn)到步驟2)；6)創(chuàng)建一個新的“第二段表”，將所有表項初始化為0，并將“第一段表”中該項的指針指向新創(chuàng)建的“第二段表”；7)根據(jù)IP地址的次高8定位當(dāng)前“第二段表”中的表項，判斷表項中的指針值是否為0，如果是，創(chuàng)建一個表項數(shù)為16個的“MASK桶索引表”，并將所有表項初始化為0，并最后轉(zhuǎn)到步驟4)；(二)快速查找的方法1)根據(jù)傳入的IP地址判斷是A類還是B類地址，并根據(jù)IP地址高8位在“第一段表”中定位表項，如果表項中的指針值為0，則返回未匹配錯誤；2)如果是A類地址，根據(jù)步驟1)中得到的指針，獲取“MASK桶索引表”的地址，并轉(zhuǎn)到步驟4)執(zhí)行。3)如果是B類地址，根據(jù)步驟1)中得到的指針，獲取“第二段表”的地址，并根據(jù)IP地址次高8位在當(dāng)前“第二段表”中定位表項，如果表項中的指針值為0，則返回未匹配錯誤。否則，根據(jù)該指針值，得到“MASK桶索引表”的地址；4)對得到的“MASK桶索引表”的地址，按照掩碼1的位數(shù)，從多到少，依次對“IP順序查找表”進(jìn)行二分查找，如果找到，則返回匹配正確信息，否則返回未匹配錯誤。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于內(nèi)存的IP地址最長匹配快速查找的方法，該方法首先對IP地址分成A類，B類，對IP按照8位一段的方式建立索引樹，A類地址只有1層，B類地址有2層。對最底層，建立一個MASK桶索引，每個MASK下面掛接一個IP順序表，在此順序表中存放最終的IP項，查找的時候，根據(jù)傳入的IP地址判定是A類還是B類地址，如果是A類地址，根據(jù)得到的MASK桶索引，從32位MASK的IP列表開始，采用二分法進(jìn)行匹配，直到找到或者查找失敗。如果是B類地址，則引導(dǎo)到第二段表中，用IP地址的次8位在第二段表中進(jìn)行定位，并最終跟A類地址一樣引導(dǎo)到MASK桶索引，進(jìn)行查找。本發(fā)明的優(yōu)點是查找快速、高效。
文檔編號G06F17/30GK101043421SQ200610024890
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者王磊 申請人:上海激動通信有限公司