c# - 如何在 c# 中有效地索引和搜索 ipv4 地址范围

Question

我有大约 90000 个 IPv4 地址范围，其中包含与每个范围相关的数据

例如

1.0.0.0 - 1.1.0.0 ->  "foo"
2.0.0.0 - 10.0.0.0 -> "bar"

给定一个 IP 地址，我需要检索相关数据。我怎样才能有效地做到这一点？

我想我可以通过将地址转换为单个整数来使事情变得更容易，但是最好使用哪种数据结构来存储它以实现快速搜索？

澄清- 我正在搜索单个 IP，而不是范围（例如“192.168.0.1”）

谢谢

Answer 1

对单个数组中的非重叠间隔的末端进行排序。用一个标志标记每个结束，指示它是间隔的开始还是结束，如下所示：

1.0.0.0 1.1.0.0 2.0.0.0 10.0.0.0
 start   end     start    end

现在使用目标地址运行二进制搜索，例如3.2.1.0. 插入点落在 上2.0.0.0，标记为start。这意味着这3.2.1.0是间隔之一。

现在考虑搜索1.2.3.4. 它的插入点落在 上1.1.0.0，标记为end。由于1.2.3.4不等于1.1.0.0，我们知道1.2.3.4不是区间之一。

搜索的成本是Log(N)，其中N是区间数。

如果您喜欢冒险，请考虑实施interval tree. 但是，对于非重叠间隔，这可能不值得。

Answer 2

如果您只需要支持 IPv4 地址而不支持 IPv6 地址，则可以将每个地址存储为UInt32. 这将使比较它们变得非常容易和有效。

如果 IP 范围不重叠，并且您可以将它们排序在列表中，则可以使用二进制搜索的变体来快速查找范围。

Answer 3

查找从 0 到 20 的数字是否包括，具有以下范围：

2-5 -> "a"
6-7 -> "b"
9-11 -> "c"
12-12 -> "d"
15-18 -> "e"
19-19 -> "f"

在一个循环中 1,000,000 次，包括 1 次 RangeCollection 的创建和初始化：只有 3 秒！

剩下要做的就是准备一个 IEnumerable 元组，其中第一个 int 是最小 IP int-value，第二个是最大值，TValue 是与该 min~max 范围相关联的数据。

这是我的实现：

public class RangeCollection<TValue>
{
    private readonly int[] _mins;
    private readonly int[] _maxs;
    private readonly TValue[] _values;

    public RangeCollection(params Tuple<int, int, TValue>[] input)
        : this((IEnumerable<Tuple<int, int, TValue>>)input)
    {
    }

    public RangeCollection(IEnumerable<Tuple<int, int, TValue>> input)
    {
        var tuples = input.OrderBy(tuple => tuple.Item1).ToArray();

        for (var i = 1; i < tuples.Length; i++)
        {
            if (tuples[i].Item1 <= tuples[i - 1].Item2)
            {
                throw new ArgumentException("Ranges should not overlap.");
            }
        }

        this._mins = new int[tuples.Length];
        this._maxs = new int[tuples.Length];
        this._values = new TValue[tuples.Length];

        for (var i = 0; i < tuples.Length; i++)
        {
            var tuple = tuples[i];

            this._mins[i] = tuple.Item1;
            this._maxs[i] = tuple.Item2;
            this._values[i] = tuple.Item3;
        }
    }

    public bool TryGetValue(int key, out TValue value)
    {
        if (this.Contains(key, out key))
        {
            value = this._values[key];
            return true;
        }

        value = default(TValue);
        return false;
    }

    public bool Contains(int key)
    {
        return this.Contains(key, out key);
    }

    private bool Contains(int key, out int index)
    {
        index = 0;

        if (this._mins.Length == 0 || key < this._mins[0] || key > this._maxs[this._maxs.Length - 1])
        {
            return false;
        }

        var low = 0;
        var high = this._mins.Length - 1;

        while (high >= low)
        {
            index = (low + high) / 2;

            var cmp = this._mins[index].CompareTo(key);

            if (cmp == 0)
            {
                return true;
            }

            if (cmp == 1)
            {
                high = index - 1;
            }
            else
            {
                low = index + 1;
            }
        }

        if (this._mins[index] > key)
        {
            index--;
        }
        else if (this._mins[index + 1] <= key)
        {
            index++;
        }

        return this._maxs[index] >= key;
    }
}

用法：

var collection = new RangeCollection<string>(new Tuple<int, int, string>(2, 5, "a"),
                                             new Tuple<int, int, string>(6, 7, "b"),
                                             new Tuple<int, int, string>(9, 11, "c"),
                                             new Tuple<int, int, string>(12, 12, "d"),
                                             new Tuple<int, int, string>(15, 18, "e"),
                                             new Tuple<int, int, string>(19, 19, "f"));

for (var i = 0; i <= 20; i++)
{
    string val;
    if (collection.TryGetValue(i, out val))
    {
        Debug.WriteLine("Contains {0}. Value: {1}", i, val);
    }
    else
    {
        Debug.WriteLine("Doesn't contain " + i);
    }
}

/* Output:

Doesn't contain 0
Doesn't contain 1
Contains 2. Value: a
Contains 3. Value: a
Contains 4. Value: a
Contains 5. Value: a
Contains 6. Value: b
Contains 7. Value: b
Doesn't contain 8
Contains 9. Value: c
Contains 10. Value: c
Contains 11. Value: c
Contains 12. Value: d
Doesn't contain 13
Doesn't contain 14
Contains 15. Value: e
Contains 16. Value: e
Contains 17. Value: e
Contains 18. Value: e
Contains 19. Value: f
Doesn't contain 20

*/