c# - 搜索 IP 范围 - 算法/数据结构？

Question

假设我有一个 IPRange对象定义如下:

public class IPRange {
    public IPAddress Start { get; set; }
    public IPAddress End { get; set; }
    public string Description { get; set; }
    public DateTime ExpireDate { get; set; }
}

然后我有一个 IPRange[]这些对象中有成百上千个条目，这些条目具有范围开始/结束的所有不同(正常)值。

var myArray = new IPRange[...];

现在；如果我有 IPAddress ，确定它是否属于任何范围的最快方法是什么？假设:

• 该数组将只包含与我们要匹配的 IP 具有相同地址族 (IPv4/IPv6) 的项目
• 范围可能或可能不“重叠”
• 安 IPRangeComparer (实现 IComparer<IPRange> ，首先按范围开始排序，然后按范围结束(“在”同一开始内)排序)和 IPRangeEqualityComparer (实现 IEqualityComparer<IPRange> ，为相同的范围开始和范围结束返回 true)可用，因为是 IPAddressComparer (实现 IComparer<IPAddress>，将 IP 视为字节数组，按数值“排序”它们)

更糟的是，IPRange 还有一个 ExpireDate ( DateTime ) 属性。 IPRange[] 中的条目可能随时到期；所以我们也需要考虑到这一点。 IPRange[]以设定的时间间隔(比如每小时一次)“重新加载”，因此过期的项目会定期从阵列中“清除”。但是从技术上讲，一个范围可能已经过期但仍然在数组中直到下一次重新加载。我不认为这本身是个大问题，但当我第一次尝试解决这个问题时，它确实增加了一点复杂性。

我可以简单地迭代提供 O(n) 性能的项目，但我希望它的性能(好得多)更好。我最初使用二分搜索实现来快速定位数组中的范围，但是一旦找到一个，数组中左/右可能会有更多范围，然后从那里再次给我 O(n)(可能更糟，取决于我们从那里开始的方式)。

我想知道在这方面什么算法或数据结构(如果有的话)会有所帮助。您可能会说我正在尝试实现白名单(或黑名单，等等)并且需要能够快速判断 IP 是否在该列表中。一旦找到匹配的范围，就无需进一步查找。我不介意每隔一段时间“(重新)构建”一个数据结构；我可以在后台任务中执行此操作，因此可能需要一些时间而不用担心。

在我要查看的列表中，排名不分先后的是:B-Tree、R(*)-Tree、Hilbert R-Tree、Enhanced Interval Trees 和 this question I just found似乎也有一些有趣的信息。

Answer 1

该解决方案是算法问题的算法解决方案，我不知道如何用C#编程，并且解释不是关于IP。

主要思想 - 创建一个“子范围”数组(不是真正的术语 - 将很快解释)，数组中的每个元素都将包含指向实际范围的指针。
如果你有 (1,5), (3,7) 范围，“子范围”将是 (1,3), (3,5), (5,7) 。并且每个新范围都有指向实际范围的指针 - (1,3) -> (1,5), (3,5) -> (1,5) , (3,7) 和 (5,7) -> (3,7)。

在按开始时间对范围进行排序后，您可以在范围内的一次迭代中创建此数组，并有一个帮助程序数组来保留所有仍然有效的范围。

创建此结构后，您可以搜索一个数字并查看它在哪个“子范围”中。可以使用二进制搜索子范围中的起点(这是以下子范围的终点)来完成).

让我们来分析一些复杂性。每个范围只能将其他范围拆分两次，因此数组的大小为 n 但每个元素也可以包含 n 指针，因此大小为 O( n^2)(如果您以摊销的方式分析它，可能会更少)。所以 O(n^2) 的大小。
O(n^2) 的构建时间，因为最终结构将在 O(n^2) 中。但搜索时间 - 重要的是，将在 O(log n) 中。