15.LPM6庫
LPM6（LPM for IPv6）庫組件實現了128位Key的最長前綴匹配表查找方法，該方法通常用于在IPv6轉發應用程序中找到最佳匹配路由。
15.1.LPM6 API概述
LPM6庫主要配置參數有：
- 支持的LPM規則最大數目：這定義了保存規則的表的大小，也就是最多可以添加的規則數目。
- tbl8的數量：tbl8是trie的一個節點，是LPM6算法的基礎。
tbl8與您可以擁有的規則數量相關，但無法準確預測持有特定數量規則所需的空間，因為它強烈依賴于每個規則的深度和IP地址。一個tbl8消耗1 kb的內存。作為推薦，65536個tbl8應該足以存儲數千個IPv6規則，但可能因情況而異。
LPM前綴由一對參數（128位Key，深度）表示，深度范圍為1到128。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。在當前實現中，用戶數據為21位長，稱為“下一跳”，對應于其主要用途，用于存儲路由表條目中下一跳的ID。
為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。當沒有可用空間時返回錯誤。
- 刪除LPM規則：LPM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。
- 查找LPM規則：128位Key作為輸入參數。該算法選擇代表給定Key的最佳匹配的規則，并返回該規則的下一跳。在LPM表中存在多個具有相同128位Key值的規則的情況下，算法選擇最高深度的規則作為最佳匹配規則，這意味著該規則在輸入鍵和規則Key之間具有最高有效位數匹配。
15.2.實現細節
這個實現是用IPv4的算法做的修改（參見IPv4 LPM實現細節）。在這種情況下，不是使用兩級表，而是使用一級的tbl24和14級的tbl8。
該實現可以看作是一個Multi-bit trie，在每個級別上檢查的步長或位數根據級別有所不同。具體來說，在根節點檢查24位，剩下的104位以8位的組進行檢查。這意味根據添加到表中的規則，該trie最多具有14個級。
該算法允許用戶直接通過存儲器訪問操作來執行規則查找，存儲器訪問次數直接取決于規則長度，以及在數據結構中是否存在具有較大深度的其他規則和相同的Key。它可以在1到14次訪存操作之間變化，IPv6中最常用的長度的平均值為5次訪問操作。
主要數據結構使用以下元素構建：
- 一個有224個條目的表
- 具有28個條目的表，表的數目由API配置
第一個表稱為tbl24，使用要查找的IP地址的前24位進行索引，其余表稱為tbl8，使用IP地址的其余字節進行索引，大小為8位。這意味著嘗試將輸入數據包的IP地址與存儲在tbl24或后續tbl8中的規則進行匹配的結果，我們可能需要在較深級別的樹中繼續查找過程。
類似于IPv4算法中的限制，為了存儲所有可能的IPv6規則，我們需要一個具有2 ^ 128個條目的表。 由于資源限制，這顯然是不可行的。
通過將查找過程分成不同的表/級別并限制tbl8的數量，我們可以大大減少內存消耗，同時保持非常好的查找速度（每級一個內存訪問）。
表中的條目包含以下字段：
- 下一跳信息或者tbl8索引
- 規則深度
- 有效標志
- 有效組標志
- 外部條目標志
第一個字段可以包含指示查找過程應該繼續的tbl8的索引，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。規則的深度或長度是存儲在特定條目中的規則的位數。標志位用于確定條目/表是否有效以及搜索過程是否分別完成。
兩種類型的表共享相同的結構。
另一個主要數據結構是一個包含規則（IP，下一跳和深度）的主要信息的表。這是一個更高級別的表，用于不同的目的：
- 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是很重要的，因為主數據結構必須相應更新。
15.2.1.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（即表中原來不包含規則），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（表示查找過程結束，因為這是匹配的最長的前綴）。
如果規則的深度大于24位，但倍數為8，則：
- 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）。
- 使用規則的下8位作為下一個tbl8的索引。
- 重復該過程，直到達到正確級別的tbl8（取決于深度），并將其填充到下一跳，將下一個條目標志設置為0。
如果規則的深度是其他值，則必須執行前綴擴展。這意味著規則被復制到所有條目（盡管它們不被使用）以實現致匹配。
舉一個簡單的例子，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，則最多可以在14個內存訪問中找到，具體取決于需要移動到下一個表的次數。前綴擴展是該算法的關鍵之一，因為它通過添加冗余顯著提高速度。
前綴擴展可以在任何級別執行。因此，例如，深度是34位，它將在第三級（第二個基于tbl8的級別）執行。
15.2.2.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。
? 如果它有效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地址的下一個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。如果它是有效的，那么檢查外部條目標志以檢查新的tbl8。 - 重復該過程，直到找到無效條目（查找未命中）或外部條目標志設置為0的有效條目。在后一種情況下返回下一跳。
15.2.3.規則數目限制
有不同的因素限制可以添加的規則數量。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。
第二個限制是可用的tbl8數量。如果我們耗盡tbl8s，我們將無法再添加任何規則。很難提前確定其中有多少是特定的路由表所必需的。
在該算法中，單個規則可以消耗的tbl8的最大數量為13，這是級別數減1，因為前三個字節在tbl24中被解析。然而：
- 通常，在IPv6上，路由不超過48位，這意味著規則通常需要3個tbl8。
如在LPM for IPv4算法中所解釋的，根據它們的第一個字節是多少，很可能會有幾個規則共享一個或多個tbl8。如果它們共享相同的前24位，例如，第二級的tbl8將被共享。這可能會在更深的級別再次發生，所以有效的是，如果兩個48位長的規則在最后一個字節中唯一的區別就可能使用相同的三個tbl8。
由于其對內存消耗的影響以及可以添加到LPM表中的數量或規則，tbl8的數量是在該版本的算法中通過API暴露給用戶的參數。一個tbl8消耗1KB的內存。
15.3.用例：IPv6轉發
LPM算法用于實現實現IP轉發的路由器所使用的無類別域間路由（CIDR）策略。
