山西长治供电公司_Linux路由表的结构与算法分析_20160420

Linux路由表的结构与算法分析 路由是网络栈的核心部分。路由表本身的设计很大情度上影响着路由的性能，并且好的设计 能减少系统资源的消耗，这两方面尤其体现在路由表的查找上。目前的内核路由存在两种查找算法，一种为HASH算法，另一种为LC-trie算法，前者是目 前内核使用的缺省算法，而后者更适用在超大路由表的情况，它在这种情况提高查找效率的同时，大大地增加了算法本身的复杂性和内存的消耗。综上，这两种算法 各有其适用的场合，本文分析了基于2.6.18内核路由部分的代码在HASH算法上路由表结构的实现，并且在文章最后给出了一个简单的策略路由的应用。 一、路由表的结构 为了支持策略路由，Linux使用了多个路由表而不是一个，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。Linux使用多个路由表而不是一个，使不同策略的路由存放在不同的表中，有效地被免了查找 庞大的路由表，在一定情度上提高了查找了效率。 路由表本身不是由一个结构表示，而是由多个结构组合而成。路由表可以说是一个分层的结构组合。在第一层，它先将所有的路由根据子网掩码（netmask）的长度（0~32）分成33个部分（struct fn_zone），然后在同一子网掩码（同一层）中，再根据子网的不同（如10.1.1.0/24和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等属性的不同而使用不同的路由，这就是第三层（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的参数，如协议，下一跳路由地址等等，这就是第四层(struct fib_info)。分层的好处是显而易见的，它使路由表的更加优化，逻辑上也更加清淅，并且使数据可以共享（如struct fib_info），从而减少了数据的冗余。

struct fib_table *fib_tables[RT_TABLE_MAX+1]; // RT_TABLE_MAX 为255

图1为一个路由表的总体结构。自上而下由左向右看，它首先为一个fib_table结构指针的数组，它被定义为：

struct fib_table { unsigned char tb_id; unsigned tb_stamp; int (*tb_lookup)(struct fib_table *tb, const struct flowi *flp, struct fib_result *res); int (*tb_insert)(struct fib_table *table, struct rtmsg *r, „„ void (*tb_select_default)(struct fib_table *table,

const struct flowi *flp, struct fib_result *res);

unsigned char tb_data[0]; };

每个fib_table结构在内核中表示一个路由表：

+ 图1（引自[1]）

这个结构中包括这个表的ID，以及主要的一些用于操作路由表的函数指针，这里我们只关心最后一域――tb_data[0]，这是一个零长的数组，它在内核中也较为常见，它表示

struct fn_hash { struct fn_zone *fn_zones[33]; struct fn_zone *fn_zone_list; };

指向这个结构的末尾。由图1可以看到，这个结构的末尾接着便是一个struct fn_hash结构，这个结构是随fib_table结构一起分配的，所以fib_table->tb_data就是fn_hash。 struct fn_zone { struct fn_zone *fz_next; /* Next not empty zone */ struct hlist_head *fz_hash; /* Hash table pointer */ int fz_nent; /* Number of entries */ int fz_divisor; /* Hash divisor */ u32 fz_hashmask; /* (fz_divisor - 1) */ #define FZ_HASHMASK(fz) ((fz)->fz_hashmask)

int fz_order; /* Zone order */ u32 fz_mask; #define FZ_MASK(fz) ((fz)->fz_mask)

}; 这个fn_zone域就是我们上面提前的结构，用于将路由根据子网掩码的长度分开成33个部分，其中fn_zones[0]用于默认网关。而fn_zone_list域就是将正在使用的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表的表头，这个HASH的长度是fz_divisor。并且这个HASH表的长度是可变的，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。 为了提高查找的效率，内核使用了大量的HASH表，而路由表就是一个例子。在图1中可以看到，等长子网掩码的路由存放在同一个fn_zone中，而根据到不同子网（fib_node）的路由键值（fn_key），将它HASH到相应的链表中。

struct fib_node { struct hlist_node fn_hash; struct list_head fn_alias; u32 fn_key; };

这个键值其实就是这个子网值了（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之后就是这个子网对应的HASH值，然后就可以插入到相应的fz_hash[n]链表中了。冲突的fib_node由 fn_hash域相链，而fn_alias则是指向到达这个子网的路由了。

struct fib_alias { struct list_head fa_list; struct rcu_head rcu; struct fib_info *fa_info; u8 fa_tos; u8 fa_type; u8 fa_scope; u8 fa_state; };

当到达这个子网的路由由于TOS等属性的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。这个结构中的另一个域fa_info指向一个fib_info结构，这个才是存放真正重要路由信息的结构。

struct fib_info { struct hlist_node fib_hash; struct hlist_node fib_lhash; „„ int fib_dead; unsigned fib_flags; int fib_protocol; u32 fib_prefsrc; u32 fib_priority; „„ int fib_nhs; struct fib_nh fib_nh[0]; #define fib_dev fib_nh[0].nh_dev };

这个结构里面是一个用于路由的标志和属性，其中最重要的一个域是fib_nh[0]， 在这里，我们再次看到了零长数组的应用，它是通过零长来实现变长结构的功能的。因为，我们需要一个定长的fib_info结构，但是在这个结构末尾，我们 需要的fib_nh结构的个数是不确定的，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分配空间的时候，同时在其末尾 分配所需的若干个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的分配后 将fib_nhs域置为这个数组的长度。 另一方面，fib_info也是HASH表的一个应用，结构中存在着两个域，分别是 fib_hash 和fib_lhash，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，就可以根据不同目的实现快速查找了。 Struct fib_nh也是一个重要的结构。它存放着下一跳路由的地址（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，即它是多路径（multipath）的。下一跳地址的选择也有多种算法，这些算法都是基于nh_weight， nh_power域的。nh_hash域则是用于将nh_hash链入HASH表的。

struct fib_nh { struct net_device *nh_dev; struct hlist_node nh_hash; struct fib_info *nh_parent; unsigned nh_flags; unsigned char nh_scope; #ifdef CONFIG_IP_ROUTE_MULTIPATH int nh_weight; int nh_power; #endif #ifdef CONFIG_NET_CLS_ROUTE __u32 nh_tclassid; #endif int nh_oif;