Trie树的应用：查询IP地址的ISP

1. 问题描述

给定一个IP地址，如何查询其所属的ISP，如：中国移动（ChinaMobile），中国电信（ChinaTelecom），中国铁通（ChinaTietong)？现有ISP的IP地址区段可供下载，比如中国移动的IP地址段

103.20.112.0/22

103.21.176.0/22

111.0.0.0/20

112.0.0.0/10

117.128.0.0/10

120.192.0.0/10

183.192.0.0/10

211.103.0.0/17

211.136.0.0/14

211.140.0.0/15

211.142.0.0/17

211.142.128.0/17

211.143.0.0/16

218.200.0.0/14

218.204.0.0/15

218.206.0.0/15

221.130.0.0/15

221.176.0.0/13

223.112.0.0/14

223.116.0.0/15

223.120.0.0/13

223.64.0.0/11

223.96.0.0/12

36.128.0.0/10

39.128.0.0/10

上述网络地址是CIDR记法：IP地址/网络id位数，其中IP地址分为两部分

• 网络id
• 主机id

比如，192.168.23.35/21，其子网掩码为11111111 11111111 11111000 00000000即255.255.248.0，网络ID：192.168.00010111。IP地址103.20.112.168与地址段103.20.112.0/22前22位相匹配，则此IP地址属于中国移动。

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2. Trie树实现查询

Trie树使用公共前缀，降低查询时间，减小了存储空间。为了构建Trie树，将IP地址二进制化（32位的二进制）。用于查询的Trie树一棵二叉树，满足以下性质：

• 非叶子节点的左孩子节点为0，右孩子节点为1；
• 叶子节点存储IP地址所对应的ISP。

Trie树的Java实现

/*
 * Trie树，用于存储、检索ip地址
 * 叶子节点标记为ip地址对应的ISP
 */
public class TrieTree {
    private Node root = null;   //根节点

    /*二叉树的节点*/
    private static class Node {
        String element;  //非叶子节点为空 叶子节点标记为ISP
        Node[] children; //左孩子节点为0 右孩子节点为1

        public Node() {
			element = "";
			children = new Node[2];
			for (int i = 0; i < children.length; i++) {
				children[i] = null;
			}
		}
    }

    public TrieTree() {
        root = new Node();
    }   

    /*插入ip地址*/
    public void insert(Node root, String ipAddress, String isp) {
    	if(ipAddress.length() > 32) {
    		System.out.println("ip地址处理错误");
    	} else {
    		Node crawl = root;
    		for(int i=0; i<ipAddress.length(); i++) {
    			int index = (int) ipAddress.charAt(i) - '0';
    			if(crawl.children[index] == null) {
    				crawl.children[index] = new Node();
    			}
    			crawl = crawl.children[index];
    		}
    		crawl.element = isp;
    	}
    }

    public void insert(String ipAddress, String isp) {
    	insert(root, ipAddress, isp);
    }

    /*
     * 检索ip地址，返回其所对应的ISP
     * 若不在Trie树中，则返回null
     * */
    public String search(String binaryIP) {
    	Node crawl = root;
    	for(int i = 0; crawl.element.length() == 0; i++) {
			int index = (int) binaryIP.charAt(i) - '0';
			if(crawl.children[index] == null) {
				return null;
			}
			crawl = crawl.children[index];
		}
    	return crawl.element;
    }
}

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IP地址格式化

下面的IPFormat给出两个方法，实现

• 将IP地址转变成二进制
• 从CIDR记法的IP地址中得到网络ID部分

/*
 * IP地址CIDR记法：network.host/size
 * 比如：103.20.112.0/22
 * 功能：将IP地址转换成其network地址
 */

public class IPFormat {
	/*将ip地址转换成32位的二进制*/
	public static String toBinaryNumber(String ipAddress) {
		String[] octetArray = ipAddress.split("\\.");
		String binaryNumber = "";
		for(String str: octetArray) {
			int octet = Integer.parseInt(str, 10);
			String binaryOctet = Integer.toBinaryString(octet);
			int bolength = binaryOctet.length();
			if(bolength < 8) {
				for (int i = 0; i < 8 - bolength; i++) {
					binaryOctet = '0' + binaryOctet;			//补前导0
				}
			}
			binaryNumber += (binaryOctet);
		}
		return binaryNumber;
	}

	/*获取network地址部分*/
	public static String getNetworkAddress(String cidrAddress) {
		String[] cidrArray = cidrAddress.split("/");
		String binaryNumber = toBinaryNumber(cidrArray[0]);
		int size = Integer.parseInt(cidrArray[1]);
		return binaryNumber.substring(0, size);
	}

	/*main方法用于测试*/
	public static void main(String[] args) {
		String ip = "103.20.112.0/20";
		String bn = getNetworkAddress(ip);
		System.out.println(bn);
	}
}