GATE CS 1998 资质考试问题2 - 介绍

该考题是印度国立科技学院（Indian Institute of Technology，简称IIT）举办的计算机科学资格考试（GATE）1998年的真题。该考题涉及的主题是计算机网络中的路由算法。

题目描述

假设有一个网络，由8个子网组成，如下图所示。假设所有子网的地址都是 Class C 类型的。假设一个路由器只维护一个路由表，并使用最长匹配路由选择算法。

试考虑假设路由器的路由表为：

|目的地址 | 下一条路由| |---------|---------| |200.40.9.32/27 |接口0 | |200.40.9.64/27 |接口1 | |200.40.9.96/27 |接口2 | |200.40.9.128/27| 接口2 | |200.40.9.160/27| 接口3 | |200.40.9.0/25 | 接口4 | |200.40.9.128/25| 接口5 | |200.40.10.0/24 | 接口5 |

问题：考虑当一个数据包到达路由器时，路由表如何被用来选择接口？

解题思路

该考题为经典的最长匹配路由选择算法问题。最长匹配路由选择算法的基本思想是在路由表中寻找与数据包目的地址最长匹配的掩码。掩码匹配的过程是将数据包的目的地址与路由表中的每个地址进行逐位比较，如果出现不匹配的比特位，则匹配结束，选择此时匹配最长的地址，即最长前缀匹配。

因此，在该问题中，当一个数据包到达路由器时，路由器先获取该数据包的目的地址，并与路由表中的所有掩码进行逐位比较。当出现不匹配的比特位时，选择此时匹配最长的地址，并相应地将该数据包发送到匹配地址对应的接口上。

例如，当数据包的目的地址为 200.40.9.35 时，与路由表中的地址逐一进行匹配：

• 200.40.9.32/27 不匹配
• 200.40.9.64/27 不匹配
• 200.40.9.96/27 不匹配
• 200.40.9.128/27 不匹配
• 200.40.9.160/27 匹配
• 200.40.9.0/25 不匹配
• 200.40.9.128/25 不匹配
• 200.40.10.0/24 没有匹配项

因此，该数据包应当通过接口3发送出去。

解题代码

可以使用下列代码来实现上述算法：

def longest_prefix_match(ipaddress, routing_table):
    """
    The function takes an IP address and a routing table as input, and returns the interface on which the packet
    should be forwarded.
    """
    longest_match = -1
    output_interface = None    
    for entry in routing_table:
        network_address, netmask, interface = entry
        network_address_bits = ipaddress_to_bits(network_address)
        ip_address_bits = ipaddress_to_bits(ipaddress)
        if ip_address_bits[:len(netmask)] == network_address_bits[:len(netmask)]:
            if len(netmask) > longest_match:
                longest_match = len(netmask)
                output_interface = interface
    return output_interface

其中，routing_table 参数应当是由 (network_address, netmask, interface) 三元组构成的列表。ipaddress_to_bits() 函数可将 IP 地址（如 "200.40.9.35"）转换为二进制表示。

def ipaddress_to_bits(ipaddress):
    return ''.join([bin(int(i))[2:].zfill(8) for i in ipaddress.split('.')])

结论

在该问题中，路由器通过最长匹配路由选择算法来选择接口，选择过程涉及到对路由表中的所有掩码进行逐一比较。在实现该算法时，可使用类似上述的 Python 代码片段。