Linux路由表的结构与算法分析

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黄日文

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（structfn_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（structfib_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(structfib_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structfib_info），从而减少了数据的冗余。

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：

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个域――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
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，这个结构是随着fib_table结构一起分配的，所以fib_table->tb_data就是fn_hash。

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。

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。

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。

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。

Structfib_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。

二、路由的查找
路由的查找速度直接影响着路由及整个网络栈的性能。路由的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，这是本文所关注的地方。

上一节已经详细地描述了路由表的组成。当一个主要的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的查找工作。路由表查找就是根据给定的参数，在某一个路由表中找到合适的下一跳路由的地址。

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，一个是ip_fib_local_table，用于本地，另一个是ip_fib_main_table，用于接发。只有在查找ip_fib_local_table表时没有找到匹配的路由（不是发给本地的）它才会去查找ip_fib_main_table。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，因而路由表的选择也就是查找的一部分。路由表的选择是由策略来确定的，而策略则是由应用（用户）来指定的，如能过ip rule命令：

如上，第一条命令创建了基于源地址路由的一条策略，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的一个策略，这个策略使用了RT2这个路由表。当被指定的路由表不存在时，相应的路由表将被创建。

第二步就是遍历这个路由表的fn_zone，遍历是从最长前缀（子网掩码最长）的fn_zone开始的，直到找到或出错为止。因为最长前缀才是最匹配的。假设有如下一个路由表：

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。但是，如果由第二步定位到的子网(fib_node)有多个路由，如下：

到达同一个子网有两个可选的路由，仅凭目的子网无法确定，这时，它就需要更多的信息来确定路由的选择了，这就是用于查找路由的键值（structflowi）还包括其它信息（如TOS）的原因。这样，它才能定位到对应一个路由的一个fib_alias实例。而它指向的fib_info就是路由所需的信息了。
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数组中选出最合适的一个fib_nh，作为下一跳路由。


三、路由的插入与删除
路由表的插入与删除可以看看是路由查找的一个应用，插入与删除的过程本身也包含一个查找的过程，这两个操作都需要检查被插入或被删除的路由表项是否存在，插入一个已经存在的路由表项要做特殊的处理，而删除一个不存在的路由表项当然会出错。
下面看一个路由表插入的例子：

这个命令在内核中建立一条新的路由。它首先查找路由表RT3中的子网掩码长为24的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的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结构的数组（因为有两个nexthop），并根据用户空间传递过来的信息初始化这个结构，最后内核再创建一个fib_alias结构（如果先前已经存在，则出错），并用fib_nh来创始化相应的域，最后将自己链入fib_node的链中，这样就完成了路由的插入操作。

路由的删除操作是插入操作的逆过程，它包含一系列的查找与内存的释放操作，过程比较简单，这里就不再赘述了。


四、策略路由的一个简单应用
Linux系统在策略路由开启的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，但是如本文之前所提到的，使用多个路由表可以得到更好的性能，特别在一个大型的路由系统中。下面只通过简单的情况说明Linux下策略路由的应用。
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的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这个网段的主机可以通过这个网关上网；接口2的IP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这个网段的主机可以通过这个网关上网；接口0的IP为192.168.1.1，这个网段的主机由于网络带宽的需求需要通过e.f.g.h这个更快的网关路由出去。

图 2

步骤一：设置各个网络接口的IP，和默认网关：
其它接口IP的设置和第一个接口一样，这时，如果没有其它设置，则所有的数据通过这个默认网关路由出去。
步骤二：使子网172.16.10.0/24可以通过gw2路由出去
步骤三：添加一个路由表
步骤四：使用策略路由使192.168.1.0/24网段的主机可以通过e.f.g.h这个网关上网
步骤五：刷新路由cache，使新的路由表生效
这样就可以实现了以上要求的策略路由了，并且可以通过traceroute工具来检测上面的设置是否能正常工作。
参考资料：
[1] Understanding Linux Network Internals ,Christian Benvenuti
[2] http://www.kernel.org
[3]http://heuristic.kaist.ac.kr/paper/full-paper/24.%20IP%20Lookup%20Table%20Design%20Using%20LC-Trie%20with%20Memory%20Constraint.pdf
[4] iproute2 man page
[5] iptables howto
[6] http://lartc.org，Linux Advanced Routing & Traffic Control

原贴:
http://www.gd-linux.com/bbs/showthread.php?t=4987
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