36、前缀匹配查找算法的创新与实践

前缀匹配查找算法的创新与实践

在网络路由领域，前缀匹配查找是一个核心问题，它对于数据包的快速准确转发至关重要。为了实现高效的前缀匹配查找，人们提出了多种算法和数据结构，本文将详细介绍其中几种重要的方案，包括树位图（Tree Bitmap）、范围二分查找（Binary Search on Ranges）和前缀长度二分查找（Binary Search on Prefix Lengths）。

1. 树位图（Tree Bitmap）

传统的Lulea方案在插入前缀时存在问题，当向根节点添加前缀时，可能会导致信息被推送到数千个叶子节点，插入时间较长。树位图方案旨在解决这一问题，同时实现与Lulea方案相同的存储和速度，并且增加了快速插入的目标。

1.1 树位图的核心思想

• 双位图设计 ：每个三叉树节点使用两个位图，一个用于内部存储的前缀，另一个用于外部指针。以图11.16为例，原本在Lulea方案中被推送到叶子节点的前缀P8和P9，在树位图方案中得以恢复，并对应内部前缀位图中的特定位置。对于一个r位的三叉树节点，有2^(r + 1) - 1种可能的长度为r或更短的前缀，需要使用一个(2^(r + 1) - 1)位图。内部前缀位图以线性化格式表示三叉树，从左到右、从上到下捕获树的每一行。
• 节点小型化 ：保持三叉树节点尽可能小，以减少给定步长下所需的内存访问大小。节点固定大小，仅包含指针位图、内部前缀位图和子指针。下一跳信息存储在与每个三叉树节点关联的单独数组中。为了减少内存访问次数，采用懒惰评估策略，即直到搜索结束才访问结果节点，最后只需要额外进行一次内存引