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基于二叉樹的高效IP檢索格式MMDB

2023-02-15 06:54:12 後端開發

 一、MMDB簡介

MMDB(MaxMind Database) 是MaxMind推出的一個資料存盤和檢索的資料庫格式,用于旗下針對IP檢索和存盤的Geo產品, IP格式由二進制位元陣列組成,很容易想到每個位元對應二叉樹一個節點,可以說二叉樹檢索特別適合于IP格式, MMDB的構造程序正是把一顆資料位于葉子節點的二叉樹進行序列化, 序列化后是位元組陣列,和其他檢索格式都是反序列化為結構化的記憶體形式不同,MMDB檢索時把整個mmdb檔案加載為一個位元組陣列即可, 檢索程序在位元組陣列上操作,由于每個節點大小固定,通過簡單記憶體計算即可完成節點定位,不需要額外生成其他中間結構,可以說非常簡潔和高效,

 

Maxmind的GeoIP產品用于檢索以下網段的geo資訊,其中最左一列是網段,第二列是geoname_id,根據網段找到geoname_id,再根據geoname_id找到下圖的資料,

 

 

 

二、構造程序

構造程序是生成一顆二叉檢索樹的程序, 假設只存盤一個網段“110”的資料,則可以得到二叉樹為:

 

只有葉子節點會存盤指向資料的參考,

三、MMDB總體格式

二叉樹經過序列化會得到一個位元組陣列,資料格式如下圖:

 

節點序列存盤二叉樹的節點,資料資訊則存盤在資料序列中,資料使用MMDB序列化格式(類似json), 第三部分為元資料,存盤版本號、生成時間、資料庫型別、IP版本、語言、節點個數、節點記錄規格等,檢索程序需要使用這些進行記憶體尋址來完成節點位置的計算, 第一個分隔符為16位元組的"NULL",即16個0, 第二個分隔符為"\xAB\xCD\xEFMaxMind.com",

四、節點序列說明 

節點序列等于一個節點陣列,每個節點由兩個記錄組成,分別對應二叉樹的左孩子和右孩子,

在IP檢索中,位元0對應第一個記錄,位元1對應第二個記錄,

如上圖所示,包含3個節點,第一個節點的兩個記錄為3和1,第二個節點為3和2,第三個節點為19和3,

當記錄數等于節點數3時,表示沒找到資料,當記錄數大于節點數3時,則為資料節點的記錄值,

資料偏移量的計算公式:資料偏移量 = 記錄值 - 節點個數 - 16(分隔符的長度),

第三個節點記錄19表示資料偏移量為0,19-3(節點數)-16,

 

 五、檢索演算法

在一個總節點數為3的mmdb資料庫上,網段“110”的檢索程序

 

 

六、資料段說明

資料序列由資料頭和資料組成,資料頭記錄資料型別和資料大小,目前MMDB支持多種資料型別,包括int, string, map, bytes等, 程式讀到位元組陣列后通過反序列化得到實際資料,

七、實驗例子 

 1、構造一個網段為“192.2.10.0/3”,對應二進制網路“110”的節點,資料為{"iso":156,"country_name":"China"},生成的節點序列為:

注意:上圖每三個位元組存盤一個記錄,中間16個0是分隔符,格式化列印后得到下圖,符號“-”表示空節點:

 

可以看到“110”網段根據二叉樹檢索演算法得到資料段的偏移量19,則資料段偏移量為19-3(節點數)-16=0,

 2、再加入一個網段為“64.2.10.0/3”,對應二進制網路“010”的節點,資料為{"iso":826,"country_name":"England"},生成的節點序列為:

格式化列印后得到下圖,符號“-”表示空節點:

 

可以看到“010”網段根據二叉樹檢索演算法得到資料段的偏移量21,則資料段偏移量為21-5(節點數)-16=0,而此時“110”網段的資料段的偏移量變成了50,則資料段偏移量為50-5(節點數)-16=29,

 

八、總結

1、生成程序使用二叉樹,

2、存盤和檢索都是序列化位元組陣列格式,

3、MMDB是記憶體資料庫 ,

參考鏈接

MaxMind DB File Format Specification

Enriching MMDB files with your own data using go

Building your own MMDB database for fun and profit

 

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/houduan/543843.html

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