广播路由算法:如何优雅地传递悄悄话?

网络
  • CSDN
  • 2019-01-01 14:02

对于广播,我相信在现实生活中我们时常都能接触到,例如学校一言不合就响起了校歌,搞的全校人都能够听到,想假装没听到都不行。

假如我们把学校比作一个局域网的话,某台主机发起了一个广播,意味着局域网内的其他所有主机都会收到这个广播,那发起广播的主机是如何选择路径来给其他主机发送广播分组的呢?考虑下面由几个节点组成的网络:

1000.jpg

假如节点 R1 要做一个广播给 R2, R3, R4 发广播分组,显然,一种很简单的方法就是 R1 给 R2、R3、R4 三个节点分别发一次广播分组,这意味着 R1 一共要发送三次同样的广播分组。

1001.jpg

途中不同箭头的颜色表示 R1 给不同的节点发广播分组。

大家想一个问题:这种发送方式合理吗?

是的,这种发送方式在实现上很简单,源节点(R1)每次带上目的节点的地址,然后发送给它就行了。

不过这种方式在效率上是极低的,例如,R1 发送的这三个广播分组都会经过同一段链路(R1-R2这段链路),而且 R2 要是再连接上 n 个节点的话,代表着这 R1 需要再发送 n 次广播分组,这 n 个报文也会经过同一段链路。

解决方法

为了解决这个问题,我们或许可以这样做:R1 把广播分组发给它的邻居节点 R2,然后 R1 就不管了,R2 再把报文发送给它的所有邻居节点 R3、R4 (除了从其接收该分组的那个邻居 R1)。

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显然这种方式也是挺不错的,R1 只发送了一次广播分组,而且 R1-R2 这段链路也不会出现同一个广播分组重复经过的情况。

广播风暴

不过,这种给所有邻居节点发送广播分组的方式够优雅吗?

看下面的一个网络组成:

1003.jpg

按照刚才的方法,R1 会给 R2 发送广播分组,接着 R2 会给 R3、R4 发送广播分组。刚才我们说过,收到广播分组的节点会给它的所有邻居发送报文(除了从其接受到该报文的那个邻居)。

所以这个时候 R3 会给 R4 发送广播分组文,而 R4 接收到 R3 的广播分组之后,R4 会给 R2 发送广播分组,R2 收到 R4 的广播分组之后 ,也会给 R3 再次发送广播分组…..

如果节点中形成了一个圈,那么就会像上面那样,节点之间不停发送广播分组,这时网络上充斥着大量重复的广播分组,将会严重影响资源的利用。

我们也把这种情况称之为广播风暴。

控制广播风暴

因此,我们必须想出某种策略来控制这种广播风暴。

一种很简单的方法,就是给这一份广播分组做一个标记。例如,源节点(发起广播的节点)可以将其地址以及广播序号放入这个广播分组中,然后发送给它的所有邻居节点,每个节点会维护它已经收到的、转发的源地址和广播分组的序号列表。

当节点收到一个广播分组时,会检查这个广播分组是否之前接收过(可以通过源地址、报文序号来检查),如果接收过,就把该广播分组丢弃;否则,把该广播分组接收,且向所有邻居节点转发。

例如对于下面由 7 个节点组成的网络:

1004.jpg

如果节点 A 要做一个广播,那么 A 就会给其邻居节点 B、C 发一份广播分组,B、C 也会给其的邻居节点发送一个广播分组。意味着 B 会给 C、D 发送广播分组,而 C 也会给 B、E、F 发送一份广播分组:

1005.jpg

当 B 收到 C 发给它的报文时,B 检测到已经有了该报文,所以 B 会丢弃 C 发送给它的广播分组,C 也一样会丢弃 B 发送给它的广播分组。图中青色的箭头代表该广播分组会被丢弃。

1006.jpg

从图中不难看出,就算节点之间形成了圈,也不会出现节点之间循环转发的情况。

虽然该方法简单 ,但确实有效控制了广播风暴,当然,这只是控制广播风暴的方法之一,实际上还有其他方法,在此我就不说了。

生成树广播

虽然上面那种方法有效控制了广播风暴,但也存在着很多冗余广播分组(那些被丢弃的广播分组就是冗余的广播分组)。

1007.jpg

如果可以,我想让每个节点仅接收一次广播分组,也不用考虑丢弃广播分组,所以理想的情况应该是这样:

1008.jpg

有没有一种方法,可以让广播分组像上面这种情况来传送呢?请大家看下面一个图:

1009.jpg

如果把节点当作一个图的顶点,大家观察下左边的图与右边的图有什么联系。

右边的图不就是左边图的生成树吗?(学了这么多年的生成树,终于用到了),如果我们给每一段链路加上相应的费用,那么我们最理想的情况就是找到一颗最小生成树。

所以,我们最理想的情况就是让广播报文在最小生成树的路径中传送,于是 ,我们现在的问题就是找出这些节点组成的网络中的最小生成树。

那么,如何构造一颗生成树呢?下面提供一种基于中心某个中心的方法来建立一颗生成树。注意,是生成树,不是最小生成树。

该方法是这样的:我们先选出一个中心节点,然后其他节点向这个中心节点发送加入树报文,加入树报文经过的路径,都会被嫁接到生成树上。例如对于这个网络结构:

1010 .jpg

我们选择 E 为中心点,然后其他节点给 E 发送加入树报文:

1. F 节点给 E 发送加入树报文,此时 E-F 链路成为初始生成树,如下图(红色路径表示生成树)。

1011.jpg

2. 接着 B 给 E 发送加入树报文,假设 B 经过的路径是 B->D->E。此时路径 B-D-E 也加入了生成树。

1012.jpg

注:D 不用再发送加入树报文了,因此它此时已经在生成树里了。

3. 接着 C 给 E 发送加入树报文,C-E 加入生成树。

1013.jpg

4. 接着,A 给 E 发送报文,假设 A 选择的路径是 A->C->E。不过当 A 的报文到达 C 之后,由于原本 C-E 就在生成树里面了,所以 A 的报文不用经过 C-E,A-C 就加入到生成树了。

1014.jpg

5. 最后 G 通过 D 加入生成树。

1015.jpg

到此,生成树构建完毕,此时生成树如下:

1016.jpg

然后在广播的时候,就可以沿着这条路径来转发复制广播报文了。


来源:CSDN作者:帅地编辑:jiyang

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