一種基于分段式路由查找的布隆過濾方案摘要布隆過濾器是一種基于哈希函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于快速檢索某個元素是否屬于集合中。然而，在高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中廣泛使用的路由器、交換機(jī)等設(shè)備，流量表項中的匹配查詢則基于多鍵匹配，以滿足不同粒度的路由需要。本文提出一種基于分段式路由查找的布隆過濾方案，能夠加速路由器、交換機(jī)等高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的多鍵查找，提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理能力和效率。關(guān)鍵字：路由，布隆過濾器，多鍵查找，分段式路由查找1.引言在現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)中，高效的路由查找和流量轉(zhuǎn)發(fā)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能、質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的流量轉(zhuǎn)發(fā)引擎通常支持匹配表項的多鍵查找。然而，這種多鍵匹配的方案會大大增加路由查找的負(fù)荷和流量轉(zhuǎn)發(fā)的延遲，為了解決這些問題，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要采用更高效、可擴(kuò)展的路由查找方案。布隆過濾器是一種非常有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過哈希函數(shù)映射到一組位數(shù)組中，可以快速判斷一個元素是否屬于集合中。然而，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，流量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要支持多鍵匹配，以便應(yīng)對不同粒度的路由查找需求。因此，技術(shù)人員在實踐中嘗試將布隆過濾器與分段式路由查找相結(jié)合，以優(yōu)化查找性能，并提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。2.布隆過濾器原理2.1布隆過濾器結(jié)構(gòu)布隆過濾器是一種基于哈希函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它可以測試一個元素是否在集合中。它通常由一個位數(shù)組和一組哈希函數(shù)組成。其中位數(shù)組中的每個元素都是0或1。哈希函數(shù)則接受一個元素作為輸入，并計算它適合位數(shù)組的哪些位置。如果一個元素在集合中，它所有哈希函數(shù)計算出的位都為1，因此被檢測到；如果元素不在集合中，至少有一個哈希函數(shù)對應(yīng)的位數(shù)組元素不為1，因此該元素被認(rèn)為不在集合中。圖1.布隆過濾器2.2實現(xiàn)方式構(gòu)建并使用布隆過濾器的方式如下:步驟1:初始化一個大小為m的位數(shù)組，并把所有位都設(shè)為0。步驟2:選擇k個不同的哈希函數(shù)，這些函數(shù)可以將任意的鍵映射到{1,2,...,m}中的k個位置。步驟3:當(dāng)元素被加入集合時，對元素使用k個哈希函數(shù)生成k個哈希值，并將每個哈希值指定的位置的位數(shù)組元素設(shè)為1。步驟4:當(dāng)需要查詢某個元素是否屬于該集合時，使用相同的k個哈希函數(shù)計算元素的哈希值并檢查每個哈希值對應(yīng)的位數(shù)組元素是否為1。如果每個位數(shù)組元素都為1，則該元素可能在集合中。但如果任何一個哈希值對應(yīng)的位都不為1，則該元素一定不在集合中。3.布隆過濾器在多鍵匹配中的應(yīng)用3.1多鍵匹配高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常需要支持匹配多個鍵用于流量分類轉(zhuǎn)發(fā)。例如，路由器中的查找表可以使用多種字段，如源IP地址、目的IP地址、協(xié)議、源端口和目的端口等，以滿足不同的查找需求。由此產(chǎn)生的匹配要求通常需要同時精確匹配多個鍵。3.2基于布隆過濾器的多鍵匹配在高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，通過對鍵進(jìn)行哈希可以減少查找所需的時間。計算哈希值需要的時間較短，可以更快地識別與此鍵匹配的條目。如果在哈希值中包含多個鍵，則可以更快地識別符合所需多個鍵的表項。在這種情況下，布隆過濾器可以加快表項查找的速度并提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理性能。圖2.多鍵匹配查找表上述場景下，我們可以分別對源IP地址、目的IP地址、協(xié)議、源端口和目的端口做哈希，并將哈希值作為五個“鍵”進(jìn)行布隆過濾器匹配。如果全部命中了布隆過濾器，那么可以確認(rèn)該表項匹配成功。如果某個鍵沒有命中，那么可以直接跳過該條目，不再進(jìn)行后續(xù)查找，最終可以大幅提升多鍵匹配的效率。4.分段式路由查找4.1基本概念網(wǎng)絡(luò)路由查找通常使用最長匹配的方式進(jìn)行，旨在找到最長前綴匹配的路由表項。路由表條目可以被分為數(shù)千個或數(shù)百萬個，而且這些查找表上具有不同的規(guī)模。為了高效實現(xiàn)多鍵查找，往往需要一種分段式的路由表設(shè)計方案。4.2路由分段的固有問題路由查找是一個細(xì)致而又復(fù)雜的問題，通常會受到許多限制和限制條件的影響。其中問題之一是路由表的大小。在某些情況下，特別是在路由表越來越大的情況下，需要將其分成多個段。此外，在分段中，需要解決沖突的問題，因為同一條目可以包含在多個段中。4.3分段式路由查找的基本方法分段式路由查找的基本方法是將一個大查找表分成多個小查找表，以減少搜索時間和復(fù)雜度。然而，在實踐中，分段會引入冗余路由表項或重復(fù)的間接跳轉(zhuǎn)，導(dǎo)致延遲增加、性能下降。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化分段方式，以提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的效率。圖3.分段式路由查找5.基于分段式路由查找的布隆過濾方案在實際應(yīng)用中，將布隆過濾器與分段式路由查找相結(jié)合，可用于實現(xiàn)高效的多鍵匹配。這種方案基于分段式路由查找機(jī)制，為每個查詢表項構(gòu)建一個獨(dú)立的布隆過濾器，并通過分段式路由查找實現(xiàn)和檢索。5.1布隆過濾器的構(gòu)建和計算在分段式路由查找中，每個路由段都有一個實例化的布隆過濾器。在為每個表項生成哈希時，需要使用分配給該段的布隆過濾器。布隆過濾器的計算被用于標(biāo)記表項的關(guān)鍵字。5.2多鍵查找在使用分段式路由查找中，根據(jù)接受的數(shù)據(jù)包中的關(guān)鍵字，對考慮的路由段及其相應(yīng)的布隆過濾器進(jìn)行最長匹配。如果某個路由段命中了相應(yīng)的布隆過濾器，那么可以確認(rèn)匹配成功，否則繼續(xù)搜索下一個路由段，直到全部匹配完成。5.3路由查找路由查找的實現(xiàn)基于分段式路由查找。布隆過濾器與最長前綴路由查找相結(jié)合，使查找延遲得到顯著減少。當(dāng)使用布隆過濾器時，可能會發(fā)現(xiàn)一些膨脹的路由表可能變得有效和可擴(kuò)展。同時，此種方案可以快速識別多個鍵并提高查找速度。6.結(jié)論本文提出了一種基于分段式路由查找的布隆過濾方案，該方案在高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中能夠加速匹配表