14.LPM庫

DPDK LPM庫組件實現了32位Key的最長前綴匹配（LPM）表搜索方法，該方法通常用于在IP轉發應用程序中找到最佳路由。

14.1.LPM API概述

LPM組件實例的主要配置參數是要支持的最大數量的規則。LPM前綴由一對參數（32位Key，深度）表示，深度范圍為1到32。LPM規則由LPM前綴和與前綴相關聯的一些用戶數據表示。該前綴作為LPM規則的唯一標識符。在該實現中，用戶數據為1字節長，被稱為下一跳，與其在路由表條目中存儲下一跳的ID的主要用途相關。

LPM組件導出的主要方法有：

• 添加LPM規則：LPM規則作為輸入參數。如果表中沒有存在相同前綴的規則，則將新規則添加到LPM表中。如果表中已經存在具有相同前綴的規則，則會更新規則的下一跳。當沒有可用的規則空間時，返回錯誤。
• 刪除LPM規則：LPM規則的前綴作為輸入參數。如果具有指定前綴的規則存在于LPM表中，則會被刪除。
• LPM規則查找：32位Key作為輸入參數。該算法用于選擇給定Key的最佳匹配的LPM規則，并返回該規則的下一跳。在LPM表中具有多個相同32位Key的規則的情況下，算法將最高深度的規則選為最佳匹配規則（最長前綴匹配），這意味著該規則Key和輸入的Key之間具有最高有效位的匹配。

14.2.實現細節

目前的實現使用DIR-24-8算法的變體，可以改善內存使用量，以提高LPM查找速度。該算法允許以典型的單個存儲器讀訪問來執行查找操作。在統計上看，即便是不常出現的情況，當即最佳匹配規則的深度大于24時，查找操作也僅需要兩次內存讀取訪問。因此，特定存儲器位置是否存在于處理器高速緩存中將很大程度上影響LPM查找操作的性能。

主要數據結構使用以下元素構建：

• 一個2^24個條目的表。
• 多個表（RTE_LPM_TBL8_NUM_GROUPS），每個表有2 ^ 8個條目。

第一個表，稱為tbl24，使用要查找的IP地址的前24位進行索引；而第二個表，稱為tbl8使用IP地址的最后8位進行索引。這意味著根據輸入數據包的IP地址與存儲在tbl24中的規則進行匹配的結果，我們可能需要在第二級繼續查找過程。

由于tbl24的每個條目都可以指向tbl8，理想情況下，我們將具有2 ^ 24 tbl8，這與具有2 ^ 32個條目的單個表占用空間相同。因為資源限制，這顯然是不可行的。相反，這種組織方法就是利用了超過24位的規則是非常罕見的這一特定。通過將這個過程分為兩個不同的表/級別并限制tbl8的數量，我們可以大大降低內存消耗，同時保持非常好的查找速度（大部分時間僅一個內存訪問）。

Figure 14 1 Table split into different levels

tbl24中的條目包含以下字段：

• 下一跳，或者下一級查找表tbl8的索引值。
• 有效標志。
• 外部條目標志。
• 規則深度。

第一個字段可以包含指示查找過程應該繼續的tbl8的數字，或者如果已經找到最長的前綴匹配，則可以包含下一跳本身。兩個標志字段用于確定條目是否有效，以及搜索過程是否分別完成。規則的深度或長度是存儲在特定條目中的規則的位數。

tbl8中的條目包含以下字段：

• 下一跳。
• 有效標志。
• 有效組。
• 深度。

下一跳和深度包含與tbl24中相同的信息。兩個標志字段顯示條目和表分別是否有效。

其他主要數據結構是包含有關規則（IP和下一跳）的主要信息的表。這是一個更高級別的表，用于不同的東西：

• 在添加或刪除之前，檢查規則是否已經存在，而無需實際執行查找。
• 刪除時，檢查是否存在包含要刪除的規則。這很重要，因為主數據結構必須相應更新。

14.2.1.添加

添加規則時，存在不同的可能性。如果規則的深度恰好是24位，那么：

• 使用規則（IP地址）作為tbl24的索引。
• 如果條目無效（即它不包含規則），則將其下一跳設置為其值，將有效標志設置為1（表示此條目正在使用中），并將外部條目標志設置為0（表示查找 此過程結束，因為這是匹配的最長的前綴）。

如果規則的深度正好是32位，那么：

• 使用規則的前24位作為tbl24的索引。
• 如果條目無效（即它不包含規則），則查找一個空閑的tbl8，將該值的tbl8的索引設置為該值，將有效標志設置為1（表示此條目正在使用中），并將外部 條目標志為1（意味著查找過程必須繼續，因為規則尚未被完全探測）。

如果規則的深度是任何其他值，則必須執行前綴擴展。這意味著規則被復制到所有下一級條目（只要它們不被使用），這也將導致匹配。

作為一個簡單的例子，我們假設深度是20位。這意味著有可能導致匹配的IP地址的前24位的2 ^（24 - 20）= 16種不同的組合。因此，在這種情況下，我們將完全相同的條目復制到由這些組合索引的每個位置。

通過這樣做，我們確保在查找過程中，如果存在與IP地址匹配的規則，則可以在一個或兩個內存訪問中找到，具體取決于是否需要移動到下一個表。前綴擴展是該算法的關鍵之一，因為它通過添加冗余來顯著提高速度。

14.2.2.查詢

查找過程要簡單得多，速度更快。在這種情況下：

• 使用IP地址的前24位作為tbl24的索引。如果該條目未被使用，那么這意味著我們沒有匹配此IP的規則。如果它有效并且外部條目標志設置為0，則返回下一跳。
  ? 如果它是有效的并且外部條目標志被設置為1，那么我們使用tbl8索引來找出要檢查的tbl8，并且將該IP地址的最后8位作為該表的索引。類似地，如果條目未被使用，那么我們沒有與該IP地址匹配的規則。如果它有效，則返回下一跳。

14.2.3.規則數目的限制

規則數量受到諸多不同因素的限制。第一個是規則的最大數量，這是通過API傳遞的參數。一旦達到這個數字，就不可能再添加任何更多的規則到路由表，除非有一個或多個刪除。

第二個因素是算法的內在限制。如前所述，為了避免高內存消耗，tbl8的數量在編譯時間有限（此值默認為256）。如果我們耗盡tbl8，我們將無法再添加任何規則。特定路由表中需要多少路由表是很難提前確定的。

只要我們有一個深度大于24的新規則，并且該規則的前24位與先前添加的規則的前24位不同，就會消耗tbl8。如果相同，那么新規則將與前一個規則共享相同的tbl8，因為兩個規則之間的唯一區別是在最后一個字節內。

默認值為256情況下，我們最多可以有256個規則，長度超過24位，且前三個字節都不同。由于長度超過24位的路由不太可能，因此在大多數設置中不應該是一個問題。即便如此，tbl8的數量也可以通過設置更改。

14.3.用例：IPv4轉發

LPM算法用于實現IPv4轉發的路由器所使用的無類別域間路由（CIDR）策略。

14.4.參考

• RFC1519 Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy，鏈接
• Pankaj Gupta, Algorithms for Routing Lookups and Packet Classification, PhD Thesis, Stanford University, 2000（[鏈接](http://klamath.stanford.edu/~pankaj/thesis/ thesis_1sided.pdf)）

原文鏈接：http://www.lxweimin.com/p/694a387956a0 。