海量路由表的快速检索问题-Hash/Trie/快速交换

在论坛上经常会有人问，到底是使用Trie算法保存路由表还是用Hash算法。那么我首先要明白，你要保存多大的路由表。简单的答案如下：
少量：Hash算法
大量：Trie算法
但是，仅仅这么回答会显得很业余，真的很业余。但是如果回答多了，恐怕也不是什么好事，关键看问者是谁，目的做甚。因此简单且完整的回答必须毫无针对性，只能写作日志供日后回忆了。
       以Linux内核为例，如果是少量的路由表，Hash算法的性能会很高，一共32个Hash桶，每一个前缀一个，所有的路由表项挂在这些Hash桶的冲突链表上，由于路由表项并不是很多，因此统计上看，每一个冲突链表的长度也不会太长，查询操作很简单，唯一不确定的就是遍历冲突链表，由于该链表很短，因此很高效。
       从Hash路由表的组织上看，Hash桶的数量是固定的，那么必然地，随着路由表项的增加，冲突链表的长度也会增加，如果是大量的路由表项，Hash算法的性能会下降。那么此时Trie算法的优势就显而易见了，原因我不想多解释，这大早上的，一会儿还要去上班，不想一日的开始就讨论痛苦的细节，但是还是可以从感性的角度说一点。如果你把Hash算法的核心看成了“它规划了32个Hash桶”，那么Trie算法的核心就是“它比较了IP地址的32个位”，不考虑空间消耗，它最多可以在一棵32层的树中经过32次比较操作后得到答案，然而正如我的一篇命题作文里说的那样，这棵树肯定会被压缩，优化，因此代价可能会是多了一些回溯，少量遍历操作，但是本质是一样的。
       因此，不要用Hash存储大量的路由表。如何二者结合各取其优，很容易想到将Hash算法冲突链表给Trie化，这样的意义是可以做到提前了解到匹配或者不匹配，不匹配的话还要进入下一个Hash桶，冲突链表的Trie化统计上看，提前感知“快速失败”，除非你的路由项前缀的32位明细的，不然的话，总有退到24位前缀桶，16位前缀桶的时候...不管怎么说，确实比单纯的遍历Hash冲突链表要好。或者反过来，Trie算法中融入Hash操作，都是可以的。
       算法的纠结到此为止，如果你的回答到此结束，可以说你对系统的理解很深，但是你被问题本身捆住了。如果有人问我路由表到底是用什么数据结构存储呢？到底是Hash算法快还是Trie算法快呢？如果我回答都不快！使用快速交换最快！那么提问者可能会觉得我的回答没有解释它的问题。然而我却给了更好的方案。接下来谈谈我的方案。
       高端的路由器(如果你没有碰过Cisco/华为的路由器，请绕道)，一般会将路由子系统单独作为控制平面来运作，而数据平面的核心则是快速交换。路由表通过静态配置，动态路由协议，路由重定向，链路层发现等生成，然后会通过一系列的硬件接口将路由表的表项注入到交换板，整个交换板上有一张硬件交换表。交换板上的任何操作都和路由子系统是独立的，你可以将其看作是两个独立的系统。路由子系统由单独的CPU控制，这是一个慢速的系统，而交换子系统甚至可以没有CPU，完全的片上转发，当然，它可能还是会有CPU，用来路由和处理非常规的控制报文以及管理报文。
       至于交换板的内部什么样子，可以买一本大学教材来看。必须要理解的是，交换板是硬件的，它的设计思路和软件完全不同，很多高效的算法会因为成本问题，空间损耗问题被直接pass。并且，交换技术大多是索引定位技术，而不是搜索技术，因为搜索算法依赖很多中间状态，而在硬件上，很难维护有状态的系统或者说需要大量的空间维护状态信息。我们可以通过CPU Cache来理解交换机制，交换表可以看作是路由表的Cache，真是这么回事儿。CPU Cache和交换表都使用TCAM存储器，这是一个可以高速定位索引标记的存储器。表项存储在一个规整的硬件表中，通过标记来索引，而索引则是通过各种“算法”来获取的，通过TCAM来完成。最常见的不是什么tree算法，而是Hash算法，因为它足够简单。当然，我的这篇《 以DxR算法思想为基准设计出的路由项定位结构图解》文章中展示了另一种方案。
       好了，小小起床了，虽然还没写完，也不写了，新的一天开始了。