山西长治供电公司-Linux路由表的结构与算法分析-20160420.doc

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（032）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_tablesRT_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_data0;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_data0,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_zones33；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_tabletb_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_zones0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_hashn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_nh0;#define fib_dev fib_nh0。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_nh0, 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_nhn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； u32 nh_gw；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：ip rule add from 10。1.1.0/24 table TR1ip rule add iff eth0 table RT2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：dst nexthop dev 10.1。0。0/16 10。1。1。1 eth0 10。1.0.0/24 10。1。0。1 eth1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：dst nexthop dev 10。1.0.0/24 10.1。0。1 eth1 10。1。0。0/24 10。1。0.2 eth1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（struct flowi）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:ip route add 10。0。1.0/24 nexthop via 10。0。1。1 weight 1 nexthop via 10.0.1。2 weight 2 table RT3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:ip addr add 172。16。100.1/24 dev eth1ip route add default via a。b。c.d dev eth1 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 ip route add 172.16。10。0/24 via e。f。g。h dev eth2 步骤三:添加一个路由表 echo “250 HS_RT /etc/iproute2/rt_tables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 ip rule add from 192。168。1。0/24 dev eth0 table HS_RT pref 32765 ip route add default via e.f。g。h dev eth2 iptables t nat A POSTROUTING s 192。168.1.0/24 j MASQUERADE 步骤五：刷新路由cache，使新的路由表生效ip route flush cache 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。