15. LPM6库¶

LPM6（LPM for IPv6）库组件实现了128位Key的最长前缀匹配表查找方法，该方法通常用于在IPv6转发应用程序中找到最佳匹配路由。

15.1. LPM6 API概述¶

LPM6库主要配置参数有：

支持的LPM规则最大数目：这定义了保存规则的表的大小，也就是最多可以添加的规则数目。
tbl8的数量：tbl8是trie的一个节点，是LPM6算法的基础。

tbl8与您可以拥有的规则数量相关，但无法准确预测持有特定数量规则所需的空间，因为它强烈依赖于每个规则的深度和IP地址。一个tbl8消耗1 kb的内存。作为推荐，65536个tbl8应该足以存储数千个IPv6规则，但可能因情况而异。

LPM前缀由一对参数（128位Key，深度）表示，深度范围为1到128。LPM规则由LPM前缀和与前缀相关联的一些用户数据表示。该前缀作为LPM规则的唯一标识符。在当前实现中，用户数据为21位长，称为“下一跳”，对应于其主要用途，用于存储路由表条目中下一跳的ID。

为LPM组件导出的主要方法有：

添加LPM规则：LPM规则作为输入参数。如果表中没有存在相同前缀的规则，则将新规则添加到LPM表中。如果表中已经存在具有相同前缀的规则，则会更新规则的下一跳。当没有可用空间时返回错误。
删除LPM规则：LPM前缀作为输入参数。如果具有指定前缀的规则存在于LPM表中，则会被删除。
查找LPM规则：128位Key作为输入参数。该算法选择代表给定Key的最佳匹配的规则，并返回该规则的下一跳。在LPM表中存在多个具有相同128位Key值的规则的情况下，算法选择最高深度的规则作为最佳匹配规则，这意味着该规则在输入键和规则Key之间具有最高有效位数匹配。

15.1.1. 实现细节¶

这个实现是用IPv4的算法做的修改（参见IPv4 LPM实现细节）。在这种情况下，不是使用两级表，而是使用一级的tbl24和14级的tbl8。

该实现可以看作是一个Multi-bit trie，在每个级别上检查的步长或位数根据级别有所不同。具体来说，在根节点检查24位，剩下的104位以8位的组进行检查。这意味根据添加到表中的规则，该trie最多具有14个级。

该算法允许用户直接通过存储器访问操作来执行规则查找，存储器访问次数直接取决于规则长度，以及在数据结构中是否存在具有较大深度的其他规则和相同的Key。它可以在1到14次访存操作之间变化，IPv6中最常用的长度的平均值为5次访问操作。主要数据结构使用以下元素构建：

一个有224个条目的表
具有28个条目的表，表的数目由API配置

第一个表称为tbl24，使用要查找的IP地址的前24位进行索引，其余表称为tbl8，使用IP地址的其余字节进行索引，大小为8位。这意味着尝试将输入数据包的IP地址与存储在tbl24或后续tbl8中的规则进行匹配的结果，我们可能需要在较深级别的树中继续查找过程。

类似于IPv4算法中的限制，为了存储所有可能的IPv6规则，我们需要一个具有2 ^ 128个条目的表。由于资源限制，这显然是不可行的。

通过将查找过程分成不同的表/级别并限制tbl8的数量，我们可以大大减少内存消耗，同时保持非常好的查找速度（每级一个内存访问）。

Fig. 15.4 Table split into different levels

表中的条目包含以下字段：

下一跳信息或者tbl8索引
规则深度
有效标志
有效组标志
外部条目标志

第一个字段可以包含指示查找过程应该继续的tbl8的索引，或者如果已经找到最长的前缀匹配，则可以包含下一跳本身。规则的深度或长度是存储在特定条目中的规则的位数。标志位用于确定条目/表是否有效以及搜索过程是否分别完成。两种类型的表共享相同的结构。

另一个主要数据结构是一个包含规则（IP，下一跳和深度）的主要信息的表。这是一个更高级别的表，用于不同的目的：

在添加或删除之前，检查规则是否已经存在，而无需实际执行查找。

删除时，检查是否存在包含要删除的规则是很重要的，因为主数据结构必须相应更新。

15.1.2. 添加¶

添加规则时存在不同的可能性。如果规则的深度恰好是24位，那么：

添加规则时存在不同的可能性。如果规则的深度恰好是24位，那么：
如果条目无效（即表中原来不包含规则），则将其下一跳设置为其值，将有效标志设置为1（表示此条目正在使用中），并将外部条目标志设置为0（表示查找过程结束，因为这是匹配的最长的前缀）。

如果规则的深度大于24位，但倍数为8，则：

使用规则（IP地址）作为tbl24的索引。
如果条目无效（即它不包含规则），则查找一个空闲的tbl8，将该值的tbl8的索引设置为该值，将有效标志设置为1（表示此条目正在使用中），并将外部条目标志为1（意味着查找过程必须继续，因为规则尚未被完全探测）。
使用规则的下8位作为下一个tbl8的索引。
重复该过程，直到达到正确级别的tbl8（取决于深度），并将其填充到下一跳，将下一个条目标志设置为0。

如果规则的深度是其他值，则必须执行前缀扩展。这意味着规则被复制到所有条目（尽管它们不被使用）以实现致匹配。

举一个简单的例子，我们假设深度是20位。这意味着有可能导致匹配的IP地址的前24位的2 ^（24-20）= 16种不同的组合。因此，在这种情况下，我们将完全相同的条目复制到由这些组合索引的每个位置。

通过这样做，我们确保在查找过程中，如果存在与IP地址匹配的规则，则最多可以在14个内存访问中找到，具体取决于需要移动到下一个表的次数。前缀扩展是该算法的关键之一，因为它通过添加冗余显著提高速度。

前缀扩展可以在任何级别执行。因此，例如，深度是34位，它将在第三级（第二个基于tbl8的级别）执行。

15.1.3. 查询¶

查找过程要简单得多，速度更快。在这种情况下：

使用IP地址的前24位作为tbl24的索引。如果该条目未被使用，那么这意味着我们没有匹配此IP的规则。如果它有效并且外部条目标志设置为0，则返回下一跳。
如果它有效并且外部条目标志被设置为1，那么我们使用tbl8索引来找出要检查的tbl8，并且将该IP地址的下一个8位作为该表的索引。类似地，如果条目未被使用，那么我们没有与该IP地址匹配的规则。如果它是有效的，那么检查外部条目标志以检查新的tbl8。
重复该过程，直到找到无效条目（查找未命中）或外部条目标志设置为0的有效条目。在后一种情况下返回下一跳。

15.1.4. 规则数目限制¶

有不同的因素限制可以添加的规则数量。第一个是规则的最大数量，这是通过API传递的参数。一旦达到这个数字，就不可能再添加任何更多的规则到路由表，除非有一个或多个删除。

第二个限制是可用的tbl8数量。如果我们耗尽tbl8s，我们将无法再添加任何规则。很难提前确定其中有多少是特定的路由表所必需的。

在该算法中，单个规则可以消耗的tbl8的最大数量为13，这是级别数减1，因为前三个字节在tbl24中被解析。然而：

通常，在IPv6上，路由不超过48位，这意味着规则通常需要3个tbl8。

如在LPM for IPv4算法中所解释的，根据它们的第一个字节是多少，很可能会有几个规则共享一个或多个tbl8。如果它们共享相同的前24位，例如，第二级的tbl8将被共享。这可能会在更深的级别再次发生，所以有效的是，如果两个48位长的规则在最后一个字节中唯一的区别就可能使用相同的三个tbl8。

由于其对内存消耗的影响以及可以添加到LPM表中的数量或规则，tbl8的数量是在该版本的算法中通过API暴露给用户的参数。一个tbl8消耗1KB的内存。

15.2. 用例：IPv6转发¶

LPM算法用于实现实现IP转发的路由器所使用的无类别域间路由（CIDR）策略。