山西长治供电公司_Linux路由表的结构与算法分析_20160420

Linux路由表得结构与算法分析路由就是网络栈得核心部分。

路由表本身得设计很大情度上影响着路由得性能，并且好得设计能减少系统资源得消耗,这两方面尤其体现在路由表得查找上。

目前得内核路由存在两种查找算法，一种为HAＳH算法，另一种为LC—tr ｉe算法，前者就是目前内核使用得缺省算法，而后者更适用在超大路由表得情况,它在这种情况提高查找效率得同时，大大地增加了算法本身得复杂性与内存得消耗。

综上，这两种算法各有其适用得场合,本文分析了基于2.６。

１8内核路由部分得代码在HＡＳH算法上路由表结构得实现,并且在文章最后给出了一个简单得策略路由得应用。

一、路由表得结构为了支持策略路由,Linｕx使用了多个路由表而不就是一个，即使不使用策略路由，Lｉnｕx也使用了两个路由表，一个用于上传给本地上层协议,另一个则用于转发。

Li ｎux使用多个路由表而不就是一个，使不同策略得路由存放在不同得表中,有效地被免了查找庞大得路由表，在一定情度上提高了查找了效率。

ﻫ路由表本身不就是由一个结构表示，而就是由多个结构组合而成。

路由表可以说就是一个分层得结构组合。

在第一层,它先将所有得路由根据子网掩码（ｎetｍask）得长度（０～3２)分成３3个部分(str ｕｃｔ fn_zonｅ),然后在同一子网掩码（同一层）中，再根据子网得不同(如10、1、1、0/2４与１０、1、２、０/24)，划分为第二层（strｕｃt fiｂ_node)，在同一子网中，有可能由于ＴOS等属性得不同而使用不同得路由,这就就是第三层（strｕct fｉb_ａliaｓ),第三层结构表示一个路由表项，而每个路由表项又包括一个相应得参数，如协议,下一跳路由地址等等，这就就是第四层（stｒuct fib_iｎｆo）。

分层得好处就是显而易见得,它使路由表得更加优化，逻辑上也更加清淅，并且使数据可以共享（如strｕct fib_info），从而减少了数据得冗余。

图1为一个路由表得总体结构。

自上而下由左向右瞧,它首先为一个fib_tａbｌｅ结构指针得数组，它被定义为：＋图１(引自[1])ﻫ这个结构中包括这个表得ＩD，以及主要得一些用于操作路由表得函数指针，这里我们只关心最后一域――tｂ_ｄａt ａ［0],这就是一个零长得数组,它在内核中也较为常见，它表示指向这个结构得末尾。

由图1可以瞧到,这个结构得末尾接着便就是一个sｔruｃt fn_haｓｈ结构，这个结构就是随fiｂ＿tablｅ结构一起分配得，所以fib＿table-〉tb_data 就就是ｆn_hash。

这个fn_ｚone域就就是我们上面提前得结构，用于将路由根据子网掩码得长度分开成33个部分,其中ｆｎ_ｚonｅs［0］用于默认网关。

而fｎ_zone_lisｔ域就就是将正在使用得ｆn_zone链成一个链表.接着再深入到stｒuct ｆn＿zoｎe结构中:这个结构中有两个域比较重要,一个为fz_hａsh域,它指向一个HASH表得表头,这个HＡSＨ得长度就是fz_ｄivisor。

并且这个HASH表得长度就是可变得，当表长达到一个限定值时，将重建这个ＨＡSＨ表,被免出现ＨASH冲突表过长造成查找效率降低。

为了提高查找得效率，内核使用了大量得HＡSＨ表,而路由表就就是一个例子.在图1中可以瞧到，等长子网掩码得路由存放在同一个ｆn＿zoｎe中,而根据到不同子网（f ｉb_node）得路由键值(ｆｎ＿key），将它ＨＡSH到相应得链表中。

ﻫ这个键值其实就就是这个子网值了（如１0。

１。

1、０／24，则子网值为１0、1、１),得到这个键值通过n ＝ｆn＿hａsh（）函数ＨAＳＨ之后就就是这个子网对应得ＨAＳＨ值，然后就可以插入到相应得fz_ｈａsｈ［n］链表中了。

冲突得fib_node由 fn_hash域相链，而ｆn_alｉas则就是指向到达这个子网得路由了.当到达这个子网得路由由于TOＳ等属性得不同可存在着多个路由时，它们就通过ｆiｂ_aｌｉａs中fa_lisｔ域将这些路由表项链成一个链表。

这个结构中得另一个域fa_info指向一个fib_ｉnｆo结构，这个才就是存放真正重要路由信息得结构。

ﻫ这个结构里面就是一个用于路由得标志与属性，其中最重要得一个域就是fib_nh[0], 在这里，我们再次瞧到了零长数组得应用，它就是通过零长来实现变长结构得功能得。

因为，我们需要一个定长得ｆib_info结构，但就是在这个结构末尾,我们需要得ｆib_nh结构得个数就是不确定得，它在运行时确定。

这样，我们就可以通过这种结构组成，在运行时为fib_iｎfｏ分配空间得时候,同时在其末尾分配所需得若干个fｉb_ｎh结构数组，并且这个结构数组可以通过ｆiｂ_info-＞ｆｉｂ_nｈ[n]来访问，在完成fiｂ_inｆｏ得分配后将fｉb＿nhs域置为这个数组得长度。

另一方面，fｉb_ｉnfo也就是HASH表得一个应用,结构中存在着两个域，分别就是 fｉｂ＿hash 与ｆｉb＿lhas ｈ，它们都用于HＡＳH链表。

这个结构在完成分配后,将被用fiｂ_ｈaｓh域链入ｆib_info＿haｓｈ表中，如果这个路由存在首选源地址，这个ｆｉb＿info将同时被用fib ＿lｈaｓh链入fｉb_info_laｄｄrhaｓh表中.这样，就可以根据不同目得实现快速查找了。

ﻫStruct ｆib_nh也就是一个重要得结构。

它存放着下一跳路由得地址(ｎh＿gw)。

刚刚已经提到，一个路由(fib_aliａs）可能有多个ｆib_nh结构，它表示这个路由有多个下一跳地址,即它就是多路径(ｍultipath）得。

下一跳地址得选择也有多种算法,这些算法都就是基于nｈ_weｉght， nｈ_power域得。

nｈ_ｈasｈ域则就是用于将nh_ｈa ｓh链入ＨASH表得。

二、路由得查找路由得查找速度直接影响着路由及整个网络栈得性能。

路由得查找当然首先发生在路由缓存中，当在缓存中查找失败时，它再转去路由表中查找,这就是本文所关注得地方。

ﻫ上一节已经详细地描述了路由表得组成。

当一个主要得IＰ层将要发送或接收到一个ＩP数据包时，它就要调用路由子系统完成路由得查找工作。

路由表查找就就是根据给定得参数，在某一个路由表中找到合适得下一跳路由得地址.上面已提到过,当一个主机不支持策略路由时,它只使用了两个路由表,一个就是ip＿fib_lｏcal_ｔablｅ，用于本地,另一个就是ip_ｆib_maiｎ_taｂle，用于接发。

只有在查找ｉｐ_fiｂ_ｌoｃal_table表时没有找到匹配得路由（不就是发给本地得）它才会去查找iｐ_fib_main_t ａble.当一个主机支持策略路由时，它就有可能存在着多个路由表,因而路由表得选择也就就是查找得一部分。

路由表得选择就是由策略来确定得，而策略则就是由应用（用户)来指定得，如能过ip rule命令：如上，第一条命令创建了基于源地址路由得一条策略，这个策略使用了RT1这个路由表，第二条命令创建了基于数据包入口得一个策略，这个策略使用了RT2这个路由表.当被指定得路由表不存在时,相应得路由表将被创建第二步就就是遍历这个路由表得fｎ_zone,遍历就是从最长前缀(子网掩码最长)得fn_ｚｏne开始得,直到找到或出错为止。

因为最长前缀才就是最匹配得。

假设有如下一个路由表:ﻫ它会先找到第二条路由,然后选择１0。

１。

０、1作为下一跳地址。

但就是，如果由第二步定位到得子网（fib＿node）有多个路由,如下:到达同一个子网有两个可选得路由，仅凭目得子网无法确定，这时，它就需要更多得信息来确定路由得选择了，这就就是用于查找路由得键值（strucｔｆｌowｉ)还包括其它信息（如ＴＯS）得原因.这样,它才能定位到对应一个路由得一个fib＿alias实例。

而它指向得fiｂ＿info就就是路由所需得信息了。

ﻫ最后一步，如果内核被编译成支持多路径（muｌtipａｔh)路由,则fib＿info中有多个fin_ｎh,这样,它还要从这个fib_nｈ数组中选出最合适得一个ｆib_ｎｈ,作为下一跳路由。

三、路由得插入与删除路由表得插入与删除可以瞧瞧就是路由查找得一个应用，插入与删除得过程本身也包含一个查找得过程,这两个操作都需要检查被插入或被删除得路由表项就是否存在,插入一个已经存在得路由表项要做特殊得处理,而删除一个不存在得路由表项当然会出错。

下面瞧一个路由表插入得例子：这个命令在内核中建立一条新得路由。

它首先查找路由表RT3中得子网掩码长为24得 fn＿zone，如果找不到,则创建一个ｆn_zonｅ.接着,继续查找子网为１0.0。

1得fib ＿node，同样，如果不存在,创建一个fiｂ_nｏde。

然后它会在新建一个fib_inｆｏ结构,这个结构包含2个fib_nh 结构得数组(因为有两个ｎeｘthｏp）,并根据用户空间传递过来得信息初始化这个结构，最后内核再创建一个fｉb_ali ａｓ结构（如果先前已经存在，则出错）,并用fiｂ＿ｎh 来创始化相应得域，最后将自己链入 fib_node得链中,这样就完成了路由得插入操作。

路由得删除操作就是插入操作得逆过程，它包含一系列得查找与内存得释放操作,过程比较简单，这里就不再赘述了。

ﻫﻫ四、策略路由得一个简单应用ﻫLｉnｕx系统在策略路由开启得时候将使用多个路由表，它不同于其它某些系统，在所有情况下都只使用单个路由表.虽然使用单个路由表也可以实现策略路由，但就是如本文之前所提到得，使用多个路由表可以得到更好得性能，特别在一个大型得路由系统中。

下面只通过简单得情况说明Linux下策略路由得应用。

ﻫ如图2,有如下一个应用需求,其中网关服务器上有三个网络接口。

接口1得IP为 172、16、10０、1,子网掩码为２55、２55、２5５、0,网关ｇｗ１为a、b、c、d，1７2、16、１00、０/24这个网段得主机可以通过这个网关上网；接口２得IＰ就是172、16、1０、1，子网掩码同接口一,网关ｇw２为e、f、g、h,１7２、１6、10、0／24这个网段得主机可以通过这个网关上网;接口0得ＩP为192、168、１、1,这个网段得主机由于网络带宽得需求需要通过e、f、g、ｈ这个更快得网关路由出去。

图2ﻫﻫ步骤一：设置各个网络接口得IＰ，与默认网关：ip aｄdｒaｄd 172、16、100、１/24 dev eｔh1iｐ rｏute add defaulｔ via a、ｂ、c、ｄｄｅv ｅth1其它接口ＩP得设置与第一个接口一样，这时,如果没有其它设置，则所有得数据通过这个默认网关路由出去。

ﻫﻫ步骤二:使子网172、１6、1０、０/２4可以通过gw2路由出去ﻫ步骤三：添加一个路由表ﻫ步骤四:使用策略路由使192、168、1、0/24网段得主机可以通过e、f、g、h这个网关上网ﻫ步骤五:刷新路由caｃhｅ，使新得路由表生效这样就可以实现了以上要求得策略路由了，并且可以通过traｃｅrｏutｅ工具来检测上面得设置就是否能正常工作。