由IP完成的路由選擇是一種選路機制，它通過搜尋路由表來確定從哪個介面把分組傳送出去，它與選路策略不一樣，選路策略

是一組規則的集合，這些規則用來確定哪些路由可以編入到路由表中，Net/3核心實現選路機制，而選路守護程序，典型地如

routed或gated，實現選路策略。

1.路由表結構

下圖是某主機上的路由表。

對於Flags列需要簡單說明下。

G  該路由通向一個閘道器（路由器），這種路由被稱為間接路由。如果沒有設定本標誌，則表明路由的目的地與本機直接相連，

稱為直接路由。

H  該路由通往一臺主機，也就是說，目的地址是一個完整的主機地址。如果沒有設定本標誌，則路由通往一個網路，目的地址

是一個網路地址：一個網路號，或一個網路號與子網號的組合。

S  該路由是靜態的。

C  該路由可被克隆以產生新的路由。在本路由表中有兩條路由設定了這個標誌：一條是到本地乙太網140.252.13.32的路由，

ARP通過克隆該路由建立到乙太網中其他特定主機的路由；另一條是到多播組224的路由，克隆該路由可以建立到特定多播

組（如224.0.0.1）的路由。

L  該路由含有鏈路層地址。本標誌應用於單播地址和多播地址。由ARP從乙太網路由克隆而得到的所有主機路由都設定了本標誌。

R  環回驅動器（為設有本標誌的路由而設計的普通介面）將拒絕所有使用該路由的資料報。

Net/3路由表採用Patricia樹結構來表示主機地址和網路地址。待查詢的地址和樹中的地址都看成位元序列。這樣就可以用相同

的函式來查詢和維護不同型別的數。

查詢路由表的目的就是為了找到一個最能匹配給定目標的特定地址。我們稱這個給定的目標位查詢鍵（search key）。所謂

最能匹配的地址，也就是說，一個能夠匹配的主機地址要優於一個能夠匹配的網路地址；而一個能夠匹配的網路地址要優於

預設地址。

每條路由表項都有一個對應的網路掩碼，儘管在主機路由中沒有儲存掩碼，但它隱含了一個全1位元的掩碼。我們對查詢鍵和

路由表項的掩碼進行邏輯與運算，如果得到的值與該路由表項的目的地址相同，則稱該路由表項是匹配的。對於某個給定的

查詢鍵，我們會從路由表中找到多條這樣的匹配路由。

下圖給出了上面路由表的內部結構。

標有end的兩個陰影框是該書結構中帶有特殊標誌的葉節點，該標誌代表樹的端點。左邊的那個擁有一個全0鍵，而右邊的

擁有一個全1鍵，左邊的兩個標有end和default的框疊在一起，這兩個框有特殊的意義，它們與重複鍵有關。

方角框被稱為內部結點或簡稱為結點，圓角框被稱為葉子。每一個內部結點對應於測試查詢鍵的一個位元位，其左右各有

一個分支。每一個葉子對應於一個主機地址或者對應於一個網路地址。如果在葉子下面有一個十六進位制數，那麼這個葉子

就對應於一個網路地址，該十六程序數就是葉子的網路掩碼。如果在葉子下面沒有十六進位制的掩碼，那麼這個葉子就是一個

主機地址，其隱含的掩碼是0xffffffff。

有一些內部節點也含有網路掩碼，這些掩碼在回溯過程中使用。

位元比較式運用在插口地址結構上的，因此，在上圖給出的位元位置是從插口地址結構中的起始位置開始算的。下圖給出了

sockaddr_in結構中的位元位置。

下圖為路由表中各個IP地址的位元表示形式。

下面舉一些例子來說明路由表的查詢過程是如何完成的。

1.與主機地址匹配的例子

假定查詢鍵是地址140.252.13.35。32為1，33為0，36為1，57為0，62為1，63為1。因此查詢在140.252.13.35的葉子處

終止。查詢鍵與路由表鍵完全匹配。

2.與網路地址匹配的例子

假定查詢鍵是127.0.0.2。32為0，33為1，63為0，因此，查詢在標有127.0.0.0的葉子處終止。查詢鍵和路由表並沒有完全

匹配，因此，需要進一步看它是不是一個能夠匹配的網路地址。對查詢鍵和網路掩碼0xff000000進行邏輯與運算，得到的

結果與該路由表鍵相同，即認為該路由表項能夠匹配。

3.與預設地址匹配的例子

假定查詢鍵是10.1.2.3。32為0，33為0，因此，查詢標有end和default並帶有重複鍵的葉子處終止。在這兩個葉子中重複的

路由表鍵是0.0.0.0。查詢鍵與路由表鍵值沒有完全匹配，因此，需要進一步看它是不是一個能夠匹配的網路地址。這種匹配

運算要對每個含網路掩碼的重複鍵都試一遍。第一個鍵沒有網路掩碼，可以跳過不查。第二個鍵有一個0x00000000的掩碼。

查詢鍵和這個掩碼的邏輯與運算，所得結果和路由表鍵0相等，即認為該路由表項能夠匹配。這樣預設路由表就能用作匹配

路由。

3.帶回溯和克隆、並與主機地址相匹配的例子

假定查詢鍵是224.0.0.5。32為1,33為1,35為0,63為1，因此，查詢在標有224.0.0.1的葉子處結束。路由表的鍵值和查詢關鍵字

並不相等，並且該路由表項不包含網路掩碼，因此要進行回溯。

回溯向上移動一層，達到63對應的節點，節點含有掩碼0xff000000(如果沒有掩碼則繼續往上回溯)，因此對查詢鍵和該掩碼

進行邏輯與運算，產生一個新的查詢鍵224.0.0.0。再從這個結點開始一次新的查詢。在新的查詢鍵中63為0，於是沿左分支

到達標有224.0.0.0的葉子。這個路由表鍵和邏輯與運算得到的查詢鍵相匹配，因此這個路由表項是匹配的。

該路由表設定了克隆標誌，因此，以224.0.0.5為地址建立一個新的葉子。新的路由表項是：

下圖從位元35對應的結點開始，給出了上面路由表樹右邊部分的新的排列。無論何時向樹中新增新的葉子，都需要兩個結點：

一個作為葉子，另一個作為測試某一位位元的內部結點。新建立的表項就返回給查詢225.0.0.5的呼叫者。

下圖描述了所有涉及到的資料結構。

我們解釋下圖中的幾個要點。

rf_tables是指向radix_node_head結構的指標陣列。每一個地址族都有一個數組與之對應。rt_tables[AF_INET]指向Internet

路由表樹的頂點。

radix_node_head結構包含三個radix_node結構。這三個結構式在初始化路由樹時建立的，中間的是樹的頂點。它對於上面

路由樹的bit32的結點框。三個radix_node結構中的第一個是路由樹中最左邊的葉子（與預設路由共享的重複），第三個結構

是最右邊的葉子。在一個空的路由表中，就只包含三個radix_node結構。

全域性變數mask_rnhead也指向一個radix_node_head結構。它是包含了所有掩碼的一棵獨立樹的首部結構。上面的路由樹給出

了八個掩碼可知，有一個掩碼重複了四次，有兩個掩碼重複了一次。通過把掩碼放在一棵單獨的樹中，可以做到對每一個掩碼

只需要維護它的一個備份即可。

路由表樹是用rtentry結構建立的，上圖中有兩個rtentry結構。每一個rtentry結構包含兩個radix_node結構，因為每次向樹中插入

一個新的路由時，都需要兩個結點：一個是內部結點，對應於某一位測試位元；另一個是葉子，對應於一個主機路由或一個網路

路由。

存在於每一個UDP和TCP插口中的協議控制塊PCB中包含了一個指向rtentry結構的route結構。每次傳送一個IP資料報時，UDP

和TCP輸出函式都傳遞一個指向PCB中route結構的指標，作為呼叫ip_output的引數。使用相同路由的PCB都指向相同的路由

表項。

2.選路插口

下圖給出了12種不同型別的選路訊息。訊息型別位於rt_msghdr結構中的rtm_type欄位。

3.函式呼叫

下圖顯示了各選路函式之間的關係。

rtalloc函式是由Internet協議呼叫的，用於查詢到達指定目的地的路由。圖中還給出了在選路域中建立插口的五個典型程式。

arp處理ARP快取記憶體，該ARP快取記憶體被儲存在Net/3的IP路由表中。

gated和routed是選路守護程序，他們與其他路由器進行通訊，當選路環境發生變化時，對核心的路由表進行操作。

route通常是由啟動指令碼或系統管理員執行的一個程式，用於新增或刪除路由。

rwhod在啟動時會呼叫一個選路sysctl來測定連線的介面。

4.Radix結點資料結構

每一個路由表的表頭都是一個radix_node_head結構，而選路數中所有的節點都是radix_node結構。radix_node_head結構如

下圖所示：

rnh_treetop指向路由數頂端的radix_node結構，可以看到radix_node_head結構的最後一項分配了三個radix_node結構，

其中中間的那個被初始化為樹的頂點。

從rnh_addaddr到rnh_walktree是七個函式指標，它們所指向的函式被呼叫以完成對樹的操作。下圖中，rn_inithead僅初始

化其中的四個指標，剩下的未被使用。

下圖給出了組成樹中結點的radix_node結構。

前5個成員是內部結點和葉子結點都有的成員，後面是一個union：如果結點是葉子，那麼它定義了三個成員；如果是內部

結點，那麼它定義了另外不同的三個成員。

rn_mklist是該節點掩碼連結串列的表頭。

rn_p指向該節點的父結點。

如果rn_b值大於等於0，那麼該結點為內部結點，否則為葉子。對於內部結點來說，rn_b就是要測試的位元位置。對於葉子

結點來說，rn_b是負的，它的值等於-1減去網路掩碼索引。該索引是指壓那麼中出現的第一個零的位元位置。下圖給出了

掩碼的索引。

內部結點rn_bmask是個單位元組的掩碼，用於檢測相應的位元位是0還是1。在葉子中它的值為0

下圖給出了rn_flags的三個值。

對於葉子而言，rn_key指向插口地址結構，rn_mask指向儲存掩碼的插口地址結構。如果rn_mask為空，則其掩碼為隱含的

全1值（即，該路由指向某個主機而不是某個網路）。

5.選路結構

訪問核心路由資訊的關鍵之處是：

1.rtalloc函式，用於查詢通往目的地的路由。

2.route結構，它的值由rtalloc函式填寫。

3.route結構所指向的rtentry結構。

在UDP和TCP中使用的協議控制塊（PCB），其中包含了一個route結構。

ro_dst被定義成一個一般的插口地址結構，但對於internet協議而言，它就是一個sockaddr_in結構。

下圖給出了rtentry結構的定義。

結構中包含了兩個radix_node結構，每次向路由樹中新增一個新葉子的同時也要新增一個內部結點，rt_nodes[0]為葉子，

rt_nodes[1]為內部結點。

下圖給出了儲存在rt_flags中各種常量以及netstat輸出的相應Flags字元。

如果設定了RTF_GATEWAY標誌，那麼rt_gateway所含的插口地址結構的指標就指向網路的地址。同樣，rt_gwroute就指向

該閘道器的rtentry。

rt_refcnt是一個計數器，儲存正在包含該結構的引用數目。

當分配該結構儲存空間時，rt_use被初始化為0，每次利用該路由輸出一份IP資料報時，其值會隨之遞增。

rt_ifp和rt_ifa分別指介面結構和介面地址結構。

rt_llinfo指標允許鏈路層協議在路由表中儲存該協議專用的結構指標。在介紹ARP時會描述如何使用該指標。

下圖給出了rtentry結構中含有的rt_metrics結構。

在TCP中會使用該結構中的六個成員。在ARP中會使用rmx_expire作為每一個ARP路由項的定時器。

6.初始化：route_init和rtable_init函式

下圖給出了各協議族中與domain結構相關的欄位。

PF_ROUTE域是唯一具有初始化函式的域。同樣，只有那些需要路由表的域才有dom_rtattach函式，並且該函式總是rn_inithead。

選路域和Unix域並不需要路由表。

dom_rtoffset成員是以位元為單位的選路過程中被檢測的第一個位元的偏移量（從域的插口地址結構的起始處開始計算）。

dom_maxrtkey給出了該結構的位元組長度。

下圖列出了路由表初始化過程所包含的步驟。

在系統初始化時，核心的main函式將呼叫一次domaininit函式，ADDDOMAIN巨集用於建立一個domain結構的連結串列，並呼叫

每個域的dom_init函式。

7.初始化：rn_init和rn_inithead函式

函式rn_init只被route_init呼叫一次，用於初始化radix函式使用的一些全域性變數。

呼叫rn_inithead，初始化地址掩碼路由樹的首部，並使全域性變數mask_rnhead指向radix_node_head結構。

下圖為Internet協議建立的radix_node_head結構。

這三個radix_node結構組成了一棵樹：中間的結構是樹的頂點，第一個結構式樹的最左邊的葉子，左後一個結構是樹的最

右邊的葉子，這三個結點的父指標都指向中間的那個結點。

最左邊結點的鍵是全0（rn_zeros），最右邊結點的鍵是全1（rn_ones）。

這三個結點都設定了RNF_ROOT標誌，這說明它們都是構成樹的原始結點之一。它們也是唯一具有該標誌的結點。

8.重複鍵和掩碼列表

下面介紹radix_node結構中的兩個欄位：一個是rn_dupedkey，它構成了附加的含重複鍵的radix_node結構連結串列；另一個

是rn_mklist，它是含網路掩碼的radix_mask結構連結串列的開始。在上面的路由樹中最左邊標有end和default兩個框，這就是

重複鍵。最左邊設有RNF_ROOT標誌的結點有一個為全0位元的鍵，但是它和預設路由的鍵相同。

下圖給出了兩個具有全0位元重複鍵的結點。

圖中最上面的結點即為路由樹的頂點。接下來的兩個結點是葉子（他們的rn_b為負值），其中第一個葉子的rn_dupedkey

成員指向第二個結點。

第一個葉子是rnh_nodes[0]結構，該結構是樹的左邊標有end的結點，它設有RNF_ROOT標誌。它的鍵被rn_inithead設為

rn_zeros。

第二個葉子是預設路由表項。它的rn_key指向0.0.0.0的sockaddr_in結構，並具有一個全0的掩碼。

最後一個是radix_mask結構，樹的頂結點和預設路由對應的葉子都指向這個結構，這個列表時樹的頂結點的掩碼列表，在

查詢網路掩碼時，回溯演算法將使用它。radix_mask結構列表和內部結點一起確定了運用於從該結點開始的子樹的掩碼。

應該注意：具有相同值得掩碼之間可以共享，但是具有相同值的鍵之間不能共享。

9.rn_match函式

在Internet協議中，它被稱為rnh_matchaddr函式。它將被rtallocl函式呼叫（而rtallocl函式將被rtalloc函式呼叫），具體

演算法如下：

1.從樹的頂端開始搜尋，直到到達與查詢鍵位元相應的葉子，檢測該葉子，看能夠得到一個精確的匹配。

2.檢測該葉節點，看是否能夠得到匹配的網路地址。

3.回溯。