CS144 Lab 6 实战记录：构建 IP 路由器

1 实验背景与目标

在 CS144 的 Lab 6 中，我们需要在之前实现的 NetworkInterface（Lab 5）基础上构建一个完整的 IP 路由器。路由器的主要任务是根据路由表将接收到的 IP 数据报转发到正确的网络接口，并发送给正确的下一跳（next hop）。

一个路由器拥有多个网络接口，可以在任何一个接口上接收 Internet 数据报。路由器的主要职责是根据路由表确定两件事：

应该使用哪个出站接口（interface）发送数据报
数据报的下一跳（next hop）IP 地址是什么

与前几个实验不同，IP 路由器的实现不需要了解 TCP、ARP 或以太网的细节，只需专注于 IP 层的转发逻辑。

2 路由器工作原理

2.1 路由器功能概述

IP 路由器主要完成两个关键功能：

维护路由表：存储一系列路由规则，每条规则包含网络前缀、前缀长度、下一跳信息和出站接口编号
转发数据报：根据路由表中的规则，将每个接收到的数据报转发到正确的出站接口和下一跳地址

路由表查询
(最长前缀匹配) Internet数据报路由器转发决策网络接口1 网络接口2 网络接口n 下一跳1 下一跳2 下一跳n

2.2 最长前缀匹配原则

路由器使用最长前缀匹配（Longest Prefix Match）算法来选择最佳路由。这意味着当多个路由规则匹配一个目标 IP 地址时，路由器会选择前缀长度最长的那个规则。这样可以实现更精确的路由控制。例如，对于目标 IP 地址 172.16.10.3，可能匹配的规则有 172.16.0.0/16 和 172.16.10.0/24，路由器会选择前缀长度为 24 的规则，因为它提供了更精确的匹配。
是否是否是否接收数据报检查目标IP地址在路由表中查找匹配项有多个匹配项? 选择前缀长度最长的匹配项有一个匹配项? 使用该匹配项丢弃数据报确定出站接口和下一跳 TTL减1 TTL大于0? 通过选定接口发送到下一跳丢弃数据报

3 路由器实现

3.1 数据结构设计

将路由表按前缀长度（1-32）分成32个组，方便从长到短进行最长前缀匹配。每个前缀长度组内使用哈希表存储，表示匹配前缀与路由项的映射关系。

cpp 复制代码

struct RouteEntry {
  size_t interface_num {};      // 出站接口编号
  std::optional<Address> next_hop {}; // 下一跳地址（如果有）
};

// 路由表，按前缀长度分组（最多32个组，对应IPv4地址的32位，逆序表示。例如下标为0代表前缀长度32）
std::array<std::unordered_map<uint32_t, RouteEntry>, 32> routing_table_ {};

3.2 添加路由条目

add_route方法向路由表添加一条新的路由规则，具体处理逻辑：

前缀计算 ：使用右移操作获取有效前缀位，例如：对于 192.168.1.0/24，右移 (32-24) = 8 位，保留高 24 位作为匹配前缀。需要特别处理前缀长度为 0 的默认路由，避免右移 32 位导致的未定义行为
路由条目存储：将路由条目存入对应前缀长度的哈希表中，键是处理后的前缀，值是路由条目信息

cpp 复制代码

void Router::add_route(const uint32_t route_prefix,
                      const uint8_t prefix_length,
                      const optional<Address> next_hop,
                      const size_t interface_num) {
  cerr << "DEBUG: adding route " << Address::from_ipv4_numeric(route_prefix).ip() << "/"
       << static_cast<int>(prefix_length) << " => " << (next_hop.has_value() ? next_hop->ip() : "(direct)")
       << " on interface " << interface_num << "\n";

  // 截取route_prefix的前prefix_length位作为有效前缀
  uint32_t masked_prefix = (prefix_length == 0) ? 0 : (route_prefix >> (32 - prefix_length));

  // 插入到对应前缀长度的路由表中
  routing_table_[prefix_length][masked_prefix] = { interface_num, next_hop };
}

3.3 路由匹配查找

match 方法实现最长前缀匹配算法，为每个数据报找到最佳路由：

flowchart TD A[开始匹配] --> B[从前缀长度31开始] B --> C[计算目标IP地址的前len位] C --> D{前缀长度组中\n有匹配项?} D -->|是| E[返回匹配的路由条目] D -->|否| F[前缀长度减1] F --> G{前缀长度≥0?} G -->|是| C G -->|否| H[返回无匹配]

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optional<Router::RouteEntry> Router::match(uint32_t dst_addr) const noexcept {
  for (int len = 31; len >= 0; --len) {
    uint32_t masked = (len == 0) ? 0 : (dst_addr >> (32 - len));
    const auto& table = routing_table_[len];
    auto it = table.find(masked);
    if (it != table.end()) {
      return it->second;
    }
  }
  
  return nullopt;
}

3.4 数据报转发处理

route 方法是路由器的核心功能，负责处理所有接口收到的数据报并进行转发。
网络接口路由器最长前缀匹配转发逻辑遍历所有接口获取接收到的数据报队列检查TTL值丢弃数据报 TTL减1并重新计算校验和查找最长前缀匹配路由返回匹配的路由条目确定目标地址和出站接口通过对应接口发送数据报丢弃数据报 alt [有匹配路由] [无匹配路由] alt [TTL ≤ 1] [TTL > 1] loop [对每个数据报] 网络接口路由器最长前缀匹配转发逻辑

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void Router::route() {
  for (const auto& interface : interfaces_) {
    auto& datagrams_received = interface->datagrams_received();
    
    // 处理所有收到的数据报
    while (!datagrams_received.empty()) {
      InternetDatagram datagram = move(datagrams_received.front());
      datagrams_received.pop();
      
      // TTL ≤ 1表示不能再转发，直接丢弃
      if (datagram.header.ttl <= 1) {
        continue;
      }
      
      // TTL减1并重新计算校验和
      datagram.header.ttl -= 1;
      datagram.header.compute_checksum();
      
      // 使用最长前缀匹配查找路由条目
      auto routeEntry = match(datagram.header.dst);
      if (!routeEntry.has_value()) {
        continue;
      }
      
      // 如果没有指定下一跳，则直接发送到目标IP
      Address target = routeEntry->next_hop.value_or(Address::from_ipv4_numeric(datagram.header.dst));
      
      // 通过对应接口发送数据报
      interfaces_[routeEntry->interface_num]->send_datagram(datagram, target);
    }
  }
}

4 调试记录

最初在计算掩码后的前缀时，使用了按位与操作，但这种方法对于可变长度前缀处理起来比较复杂。改用右移操作后，处理变得更简单高效。
最初的实现中，先执行路由匹配再检查TTL，这导致一些应该被丢弃的数据报被错误处理。修正为先检查TTL再进行后续处理。
处理前缀长度为0的默认路由时需要特殊处理，确保将掩码设置为0而不是尝试右移32位（这会导致未定义行为）。

5 代码仓库

项目代码已上传至GitHub：https://github.com/HeZephyr/minnow