廣播路由演算法: 如何優雅地傳遞悄悄話？
作者 | 帥地
責編 | 仲培藝
對於廣播，我相信在現實生活中我們時常都能接觸到，例如學校一言不合就響起了校歌，搞的全校人都能夠聽到，想假裝沒聽到都不行。
假如我們把學校比作一個區域網的話，某臺主機發起了一個廣播，意味著區域網內的其他所有主機都會收到這個廣播，那發起廣播的主機是如何選擇路徑來給其他主機發送廣播分組的呢？考慮下面由幾個節點組成的網路：
假如節點 R1 要做一個廣播給 R2, R3, R4 發廣播分組，顯然，一種很簡單的方法就是 R1 給 R2、R3、R4 三個節點分別發一次廣播分組，這意味著 R1 一共要傳送三次同樣的廣播分組。
途中不同箭頭的顏色表示 R1 給不同的節點發廣播分組。
大家想一個問題：這種傳送方式合理嗎？
是的，這種傳送方式在實現上很簡單，源節點（R1）每次帶上目的節點的地址，然後傳送給它就行了。
不過這種方式在效率上是極低的，例如，R1 傳送的這三個廣播分組都會經過同一段鏈路（R1-R2這段鏈路），而且 R2 要是再連線上 n 個節點的話，代表著這 R1 需要再發送 n 次廣播分組，這 n 個報文也會經過同一段鏈路。
解決方法
為了解決這個問題，我們或許可以這樣做：R1 把廣播分組發給它的鄰居節點 R2，然後 R1 就不管了，R2 再把報文傳送給它的所有鄰居節點 R3、R4 （除了從其接收該分組的那個鄰居 R1）。
顯然這種方式也是挺不錯的，R1 只發送了一次廣播分組，而且 R1-R2 這段鏈路也不會出現同一個廣播分組重複經過的情況。
廣播風暴
不過，這種給所有鄰居節點發送廣播分組的方式夠優雅嗎？
看下面的一個網路組成：
按照剛才的方法，R1 會給 R2 傳送廣播分組，接著 R2 會給 R3、R4 傳送廣播分組。剛才我們說過，收到廣播分組的節點會給它的所有鄰居傳送報文（除了從其接受到該報文的那個鄰居）。
所以這個時候 R3 會給 R4 傳送廣播分組文，而 R4 接收到 R3 的廣播分組之後，R4 會給 R2 傳送廣播分組，R2 收到 R4 的廣播分組之後 ，也會給 R3 再次傳送廣播分組…..
如果節點中形成了一個圈，那麼就會像上面那樣，節點之間不停傳送廣播分組，這時網路上充斥著大量重複的廣播分組，將會嚴重影響資源的利用。
我們也把這種情況稱之為廣播風暴。
控制廣播風暴
因此，我們必須想出某種策略來控制這種廣播風暴。
一種很簡單的方法，就是給這一份廣播分組做一個標記。例如，源節點（發起廣播的節點）可以將其地址以及廣播序號放入這個廣播分組中，然後傳送給它的所有鄰居節點，每個節點會維護它已經收到的、轉發的源地址和廣播分組的序號列表。
當節點收到一個廣播分組時，會檢查這個廣播分組是否之前接收過（可以通過源地址、報文序號來檢查），如果接收過，就把該廣播分組丟棄；否則，把該廣播分組接收，且向所有鄰居節點轉發。
例如對於下面由 7 個節點組成的網路：
如果節點 A 要做一個廣播，那麼 A 就會給其鄰居節點 B、C 發一份廣播分組，B、C 也會給其的鄰居節點發送一個廣播分組。意味著 B 會給 C、D 傳送廣播分組，而 C 也會給 B、E、F 傳送一份廣播分組：
當 B 收到 C 發給它的報文時，B 檢測到已經有了該報文，所以 B 會丟棄 C 傳送給它的廣播分組，C 也一樣會丟棄 B 傳送給它的廣播分組。圖中青色的箭頭代表該廣播分組會被丟棄。
。
從圖中不難看出，就算節點之間形成了圈，也不會出現節點之間迴圈轉發的情況。
雖然該方法簡單 ，但確實有效控制了廣播風暴，當然，這只是控制廣播風暴的方法之一，實際上還有其他方法，在此我就不說了。
生成樹廣播
雖然上面那種方法有效控制了廣播風暴，但也存在著很多冗餘廣播分組（那些被丟棄的廣播分組就是冗餘的廣播分組）。
如果可以，我想讓每個節點僅接收一次廣播分組，也不用考慮丟棄廣播分組，所以理想的情況應該是這樣：
有沒有一種方法，可以讓廣播分組像上面這種情況來傳送呢？請大家看下面一個圖：
如果把節點當作一個圖的頂點，大家觀察下左邊的圖與右邊的圖有什麼聯絡。
右邊的圖不就是左邊圖的生成樹嗎？(學了這麼多年的生成樹，終於用到了)，如果我們給每一段鏈路加上相應的費用，那麼我們最理想的情況就是找到一顆最小生成樹。
所以，我們最理想的情況就是讓廣播報文在最小生成樹的路徑中傳送，於是 ，我們現在的問題就是找出這些節點組成的網路中的最小生成樹。
那麼，如何構造一顆生成樹呢？下面提供一種基於中心某個中心的方法來建立一顆生成樹。注意，是生成樹，不是最小生成樹。
該方法是這樣的：我們先選出一箇中心節點，然後其他節點向這個中心節點發送加入樹報文，加入樹報文經過的路徑，都會被嫁接到生成樹上。例如對於這個網路結構：
我們選擇 E 為中心點，然後其他節點給 E 傳送加入樹報文：
1. F 節點給 E 傳送加入樹報文，此時 E-F 鏈路成為初始生成樹，如下圖（紅色路徑表示生成樹）。
2. 接著 B 給 E 傳送加入樹報文，假設 B 經過的路徑是 B->D->E。此時路徑 B-D-E 也加入了生成樹。
注：D 不用再發送加入樹報文了，因此它此時已經在生成樹裡了。
3. 接著 C 給 E 傳送加入樹報文，C-E 加入生成樹。
4. 接著，A 給 E 傳送報文，假設 A 選擇的路徑是 A->C->E。不過當 A 的報文到達 C 之後，由於原本 C-E 就在生成樹裡面了，所以 A 的報文不用經過 C-E，A-C 就加入到生成樹了。
5. 最後 G 通過 D 加入生成樹。
到此，生成樹構建完畢，此時生成樹如下：
然後在廣播的時候，就可以沿著這條路徑來轉發複製廣播報文了。
作者：帥地，一個熱愛程式設計的在校生，我的世界不只有coding，還有writing。目前維護訂閱號「苦逼的碼農」，專注於寫演算法與資料結構、Java、計算機網路。
宣告：本文為作者個人投稿，版權歸其所有。
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