构造路由表及用其查找路由项的方法 【技术领域】
本发明属于数据通讯技术领域，特别涉及互联网中进行路由选择技术。
背景技术
在互联网中进行路由选择要使用路由器，路由器根据所收到的IP数据报文上的目的IP地址决定将报文向何处发送。所谓IP地址就是给每一个连接在Internet上的端口分配的一个唯一的32位地址。IP地址由两部分组成：第一部分为网络号，第二部分为主机号。但是由于网络发展的需要，现在已进一步将主机号再分成一个子网号和一个主机号。子网掩码就是用来确定IP地址中多少位用于子网号，多少位用于主机号的。为了指导路由器转发报文的工作，每一台路由器都有一个路由表，路由表中存放路由项。每一个路由项都包含如下信息：1、目的IP地址：它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，主机地址有一个非0的主机号，以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定某一网络中的所有主机。2、子网掩码：通过子网掩码可以进一步知道目的IP地址的子网号。3、输出端口：说明IP数据报文应从路由器哪个端口发送出去。4、下一跳IP地址：说明IP数据报文要到达的下一个设备的IP地址。路由器收到IP数据报文后，根据报文中地目的IP地址在路由表中查找到匹配的路由项，然后从路由项中指明的输出端口将报文转发出去。
在路由表中可能出现路由覆盖的现象，即对于某个特定的目的IP地址，有多个子网掩码不同的路由项对应。目的IP地址相同的情况下，子网掩码长的路由项是子网掩码短的路由项的子路由项，子网掩码短的路由项是子网掩码长的路由项的父路由项。查找路由表的目标就是为了找到一个最能匹配给定目的IP地址的特定路由项。所谓最能匹配的路由项，也就是说，一个网络号、子网号、主机号都能够匹配的路由项要优于一个网络号、子网号能匹配的路由项；而一个网络号、子网号能匹配的路由项要优于一个网络号匹配的路由项。
路由器每转发一次IP数据报文就要通过路由表查找一遍路由项，因此路由表的查找速率是影响路由器转发效率的关键因素。同时，路由项可以通过用户手工配置得到，也可以通过运行动态路由协议自动得到。动态路由协议可能在短时间内学习到成千上万条路由项，所以，在路由表中快速添加删除路由项的能力也很重要。
现有的常见的构建路由表的方法是利用二叉树来构建路由表，如图1所示，根据目的IP地址从高位到低位，每一位是0或1来确定是在二叉树的左分支还是右分支。用这种结构的路由表存放路由项的方法，比较直观，有层次，但是添加删除过程复杂，查找效率低。由图1可见，如果要查找一条子网掩码长度为4的路由项，要查找4次，而如果要查找一条子网掩码长度为32位的主机路由项，则需要查找32次。
用二叉树形式的路由表来存放路由项，在查找时几乎每一个路由项都要经过数次或数十次的查找才能找到，极大影响了路由器的转发效率。此外该方法的扩充性不好，例如对于128位的IPv6地址，找一个路由项的查找次数可能达到上百次，这几乎是不能忍受的。
【发明内容】
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种构造路由表及用其查找路由项的方法，本发明具有维护方便，查找路由项高效快速，且可自动扩充的特点。
本发明提出的一种构造路由表的方法，包括
a、生成一级或多级索引表；
b、将路由项按照所述各级索引表长度分段存储在所述的索引表中。
所述第i级索引表的长度可为Ni，其中Ni为自然数。
所述第i级索引表中可包括2Ni个索引结点。
所述索引结点可顺序排列。
所述多级索引表中第一级索引表固定生成，其它各级索引表可在添加新路由项的过程中动态产生。
除所述第一级以外的其它各级索引表的表项还可包括表头域，该表头域中包含一个计数器。
所述索引结点指向内容可包括：指向某一路由项、指向下一级索引表、指向空。
所述生成索引表可包括以下步骤：
1)路由器启动时即创建一级索引表，有2N1个索引结点，索引结点都指向空；
2)在添加新路由项的过程中，如果有路由项的子网掩码长度大于N1，小于等于N1+N2，会创建二级索引表，如果有路由项的子网掩码长度大于N1+N2，小于等于N1+N2+N3，会创建二级和三级索引表，以此类推；
3)如果不再有子网掩码长度大于N1+N2+...+Np-1，小于等于N1+N2+...+Np-1+Np的路由项，会删除第p级索引表，p为当前索引表的最高级数。
所述添加新路由项，具体可包括以下步骤：
1)如果路由项的子网掩码长度L小于等于N1位，在一级索引表中找到索引号和目的IP地址的前N1位值相同的索引结点，从这个结点开始，索引号依次递增的2(N1-L)个索引结点都指向此路由项；
2)如果路由项的子网掩码长度L大于N1位，小于等于N1+N2位，在一级索引表中找到索引号和目标IP地址的前N1位值相同的索引结点，判断此索引结点的内容：
21)如果此索引结点没有指向一个二级索引表，先建立一个设有表头域的二级索引表，这个表有2N2个索引结点，索引结点的索引号依次为0到2N2，表头域中计数器值为0，找到索引号和路由项的目的IP地址的第N1+1至N1+1+N2位值相同的索引结点，从此结点开始，往后的2(N2-(L-N1))个索引结点都指向该路由项，其它索引结点指向空；
22)如果此索引结点指向一个二级索引表，直接在这个二级索引表中找到索引号和路由项的目的IP地址的第N1+1至N1+1+N2位值相同的索引结点，从此结点开始，往后的2(N2-(L-N1))个索引结点都指向该路由项；
3)如果路由项的子网掩码长度L大于N1+N2，小于等于N1+N2+N3，则要在三级索引表中添加路由项，则具体步骤和在二级索引表中添加路由项类似，以此类推；
4)如果要指向新路由项的索引结点原来并不指向空，而指向一个已有的路由项，则需要判断两个路由项的子网掩码长度；
41)如果新路由项的子网掩码长度小于已有的路由项的，则新路由项为父路由项，直接将已有的路由项指向新路由项，索引结点内容不变；
42)如果新路由项的子网掩码长度大于已有的路由项的，则已有路由项为父路由项，将新路由项指向已有的路由项，索引结点指向新路由项；
5)如果要指向新路由项的索引结点原来是指向下一级索引表表头域的，则直接将表头域指向新路由项；如果表头域原来也指向了一个已有的路由项，则比较已有的路由项和新路由项的子网掩码的长度，最终由表头域指向子路由项，子路由项指向父路由项；
6)如果索引结点需要指向新建立的下一级索引表，而该索引结点原来已指向一已有路由项，只需要将该索引结点指向下一级索引表表头域，将表头域指向已有路由项。
所述删除路由项，具体可包括以下步骤：
1)如果要删除的路由项不指向其它路由项，则直接将指向要删除的路由项的索引结点或子路由项指向空，将存放要删除的路由项的内存释放；
2)如果要删除的路由项指向父路由项，则将指向要删除的路由项的索引结点或子路由项直接指向父路由项，将存放要删除的路由项的内存释放；
3)如果删除路由项后，使动态生成的索引表中表头里的计数器值为0，即索引表中没有索引结点指向路由项了，要将此索引表删除；
4)如果待删索引表表头域指向空，则指向它的上一级索引表中的索引结点也指向空；
5)如果待删索引表表头域指向一父路由项，则将指向表头域的索引结点指向父路由项；将存放动态索引表的内存释放。
本发明提出的一种查找路由项的方法，其特征在于，采用分级索引表构造路由表，查找路由项包括以下步骤：
1)对IP数据报文中目的IP地址取前N1位，在一级索引表中找到索引号与之相等的索引结点；
2)如果此索引结点指向路由项，则表明路由项找到；
3)如果索引结点指向空，表明路由项没有找到；
4)如果索引结点指向下一级索引表，则在二级索引表中找到索引号和目的IP地址第N1+1位至第N1+1+N2位的值相等的索引结点，如果该索引结点指向路由项，表明路由项找到；
5)如果该索引结点指向空，则看本级索引表的表头域，如果表头域指向某一路由项，表明路由项找到，如果表头域指向空，表明路由项没有找到；
6)如果索引结点指向下一级索引表，则根据目的IP址的第N1+N2+1位至第N1+N2+1+N3位的值在三级索引表中继续查找，查找方法和在二级索引表中查找的方法一样，以此类推查找到目的IP地址的最后位。
本发明带来的有益效果：
利用本发明的技术方案构造路由表，根据任何目的IP地址查找路由项，最多只需要查找M次(M值为索引表的级数)，而且很大部分的路由项可以一次查到，大大提高了路由表的查找效率。其次，这种方法也很好的解决了路由表的维护问题，无论添加删除路由项，操作步骤都较少，维护效率高。同时，由于低级索引表是动态产生，动态删除的，可以节省内存资源。
本发明的扩展性也很好，索引表的级数可根据情况调整，每一级索引结点的数目也可以根据具体情况设定。例如，可以将索引表设为三级，该三级索引表的一级索引表有216个索引结点，每个二级索引表有28个索引结点，每个三级索引表也有28个索引结点。在三级分级索引表中查找路由项，简单快速，最多查找3次即能找到需要的路由项。
也可以将索引表设为四级，第一级有220个索引结点，第二级、第三级、第四级都有24个索引结点，这样虽然一级索引表占用的内存大一些，但是可以确保有62.5％的目的IP地址可以一次查到路由，提高总体转发速率。在IPv6协议里，IPv6地址长度达到128位，采用本方法可以建立更多级的索引表来适应，而且只要控制好索引表的级数，路由查找的效率仍然是非常高的。
【附图说明】
图1为现有的利用二叉树来存放路由路由的方法示意图。
图2为本发明构造的多级索引表形式的路由表中各级索引表、索引结点、路由项关系图。
图3为本发明采用三级索引表形式的路由表查找路由项的方法流程图。
【具体实施方式】
本发明提出的构造的路由表及用其查找路由项的方法，下面结合实施例及附图进行详细说明。
一、本发明采用多级索引表构造的路由表，如图2所示，详细说明如下：
查找路由项的主要线索是路由项中的目的IP地址，所以本发明以索引表的形式构建路由表，索引表中每一表项的索引号和路由项中的目的IP地址建立某种联系，达到快速查找的目的。同时，利用路由项有子网掩码的特点，本发明将索引表分级，子网掩码短的路由项放在高级索引表中，子网掩码长的路由项放在低级索引表中。最高级的索引表，即一级索引表固定生成，其它低级索引表动态产生，这种分级的索引表在确保查找效率的同时，又大大节省了内存。
本发明称索引表中的每一个表项为一个索引结点，每个索引结点有一个索引号，索引号按照索引结点的排列从0依次递增，如第一个索引结点的索引号为0，第二个索引结点的索引号为1，以此类推。索引结点可能指向三种内容：1、指向某一路由项；2、指向下一级索引表；3、指向空。当然，最后一级索引表的索引结点不能指向下一级索引表，只能指向路由项或空。除了一级索引表，其它各级索引表还设有表头域，表头域内可包含一个计数器，记录本索引表中有多少个索引结点不指向空，以便在本索引表中所有索引结点都指向空时删除此表。
索引表具体分为几级，每一级有多少个结点，没有特定值，但必须满足以下要求：假设索引表分为m级，每一级的结点数必须是2的Ni次幂(Ni为自然数)，对于32位地址，需要满足以下公式：N1+N2+......+Nm＝32；对于128位的IPv6地址，则N1+N2+......+Nm＝128。
本发明以一个三级索引表为实施例，详细介绍分级索引表的建立、添加、删除路由项和查找路由项方法。
在本实施例中，一级索引表由索引结点构成，二、三级索引表由表头域和索引结点构成，其中，三级索引表中的一级索引表有216个索引结点，每个二级索引表有28个索引结点，每个三级索引表也有28个索引结点。
本实施例的构造路由表的方法为：路由器启动时即创建一级索引表，有216个索引结点，索引结点都指向空。当有新路由项产生时，根据路由项中的目的IP地址和子网掩码将合适的索引结点指向此路由项，具体构造步骤如下：
1、如果路由项的子网掩码长度L小于等于16位，找到索引号和目的IP地址的前16位值相同的索引结点，从这个结点开始，索引号依次递增的2(16-L)个索引结点都指向此路由项。
2、如果路由项的子网掩码长度L大于16位，小于等于24位，在一级索引表中找到索引号和目标IP地址的前16位值相同的索引结点，判断此索引结点的内容：
21、如果此索引结点没有指向一个二级索引表，先建立一个设有表头域的二级索引表，这个表有28个索引结点，索引结点的索引号依次为0到28，表头域中计数器值为0，找到索引号和路由项的目的IP地址的第17至24位值相同的索引结点，从此结点开始，往后的2(8-(L-16))个索引结点都指向该路由项，其它索引结点指向空；
22、如果此索引结点指向一个二级索引表，直接在这个二级索引表中找到索引号和路由项的目的IP地址的第17至24位值相同的索引结点，从此结点开始，往后的2(8-(L-16))个索引结点都指向该路由项；
3、如果路由项的子网掩码长度L大于24，小于等于32，则要在二级索引表的基础上继续创建三级索引表。具体步骤和创建二级索引表类似，这里就不赘述了。
4、如果要指向新路由项R2的索引结点原来并不指向空，而指向一个已有的路由项R1，则需要判断两个路由项的子网掩码长度；
41、如果R2的子网掩码长度小于R1的，说明R2是R1的父路由项，只用直接将R1指向R2就行了，索引结点内容不变；
42、如果R2的子网掩码长度大于R1的，说明R1是R2的父路由项，将R2指向R1，索引结点指向R2；
5、如果要指向新路由项R2的索引结点原来是指向下一级索引表表头域的，则直接将表头域指向R2；
6、如果表头域原来也指向了一个已有的路由项R1，也要比较一下R1和R2的子网掩码的长度，最终表头域指向子路由项，子路由项指向父路由项；
7、如果指向新路由项R2的索引结点需要指向新建立的下一级索引表，而该索引结点原来已指向一已有路由项R1，只需要将索引结点指向下一级索引表表头域，将表头域指向R1就行了。
本实施例在路由表中内容的删除的方法，具体步骤如下：
1、如果要删除的路由项R2不指向其它路由项，则直接将指向R2的索引结点或子路由项指向空，将存放路由项R2的内存释放；
2、如果要删除的路由项R2指向了父路由项R1，则将指向R2的索引结点或子路由项直接指向R1，将存放路由项R2的内存释放；
3、如果删除路由项后，动态生成的索引表中表头里的计数器值为0，即索引表中没有索引结点指向路由项了，要将此索引表删除：
4、如果待删索引表表头域指向空，则指向它的上一级索引表中的索引结点也指向空；
5、如果待删索引表表头域指向一路由项R1，则将指向表头域的索引结点指向R1。将存放动态索引表的内存释放。
由上面描述可见，除了一级索引表是固定产生的外，其它各级索引表都是动态产生，动态删除的，可以节省大量内存。而表头域的存在除了可以方便的判断删除动态索引表的时机外，还带来了一个很直接的好处，这就是在一个索引表中增加或删除路由结点时，不会影响到它所有的下级索引表，至多会修改某些下级索引表中表头域的一个指针。通过这种特殊的结构，极大提高了路由表的维护效率，即使有路由覆盖的情况，维护路由表的操作也较简单。
二、本发明采用上述路由表查找路由项的方法实施例，如图3所示，详细说明如下：
路由器转发IP数据报文时要查找路由表中的路由项；查找的依据是IP数据报文中所带的目的IP地址，即路由项中的内容。本实施例的路由表为三级索引表，具体查找方法的步骤如下：
1、取IP数据报文中目的IP地址的前16位；
2、在一级索引表中找到索引号与之相等的索引结点，
3、判断索引结点内容：
4、如果此索引结点指向路由项，则表明路由项找到，返回；
5、如果索引结点指向空，表明路由项没有找到，返回；
6、如果索引结点指向下一级索引表，则在二级索引表中找到索引号和目的IP地址第17位至第24位的值相等的索引结点；
7、判断索引结点内容：
8、如果该索引结点指向路由项，表明路由项找到，返回；
9、如果该索引结点指向空，则看本级索引表的表头域，如果表头域指向某一路由项，表明路由项找到，返回；
10、如果表头域指向空，表明路由项没有找到，返回；
11、如果索引结点指向下一级索引表，则根据目的IP地址的第25位至32位的值在三级索引表中继续查找，查找方法和在二级索引表中查找的方法一样，如步骤7、8、9、10所述。
在三级分级索引表中查找路由项，简单快速，最多查找3次即能找到需要的路由项。
本发明的索引表不限于用三级，可根据情况调整为更多或更少级，每一级索引结点的数目也可以根据具体情况设定。例如，可以将索引表设为四级，第一级有220个索引结点，第二级、第三级、第四级都有24个索引结点，这样虽然一级索引表占用的内存大一些，但是可以确保有62.5％的目的IP地址可以一次查到路由，提高总体转发速率。