计算机网络中的泛洪

什么是泛洪？

在计算机网络中，泛洪（Flooding）是一种通信方式，其中数据包被发送到所有连接的设备，即使它们不是数据的预期接收者。虽然这种方法经常用于特定的网络协议和场景，但它可能非常低效，并且在现代计算机网络中很少用于常规数据传输。

它是如何工作的？

泛洪是一种简单易用的网络通信方法，它将数据包广播到网络上的每个连接设备。让我们看看它是如何工作的。

• 发送数据：当一个网络设备想要将数据发送到另一个设备，但不确定接收者的确切位置或地址时，它会创建一个包含所需信息的数据包。
• 广播：发送设备将数据包发送到网络上的每个设备，而不是试图确定其确切目的地。实现这一点的方法是为数据包的目标地址赋予一个特殊的、表示“广播”或“所有设备”的值。
• 接收数据：网络上的所有连接设备（包括最初发送数据的设备）都会接收到广播的数据包。
• 检查数据包：每个设备都会检查数据包的头部，以确定它是否是数据的预期接收者。它会验证数据包头部的目标地址。
• 过滤：如果数据包中的目标地址与该设备的地址匹配，设备将接受该数据包并处理其内容。如果地址不匹配，设备将丢弃该数据包。
• 数据包传播：在重复步骤3、4和5之后，数据包会继续在网络中传播，直到最终连接到具有正确目标地址的设备。
• 防止循环：泛洪通常使用诸如生存时间（TTL）计数器之类的机制来防止数据包在网络中无休止地循环。每次设备转发数据包时，数据包头部中的TTL值都会减少。当TTL达到零时，数据包不再被转发并被丢弃。这有助于防止网络中的无限循环。

在计算机网络中，泛洪是一种非常简单但有时效率低下的通信方式，因为它会产生大量额外的网络流量。它用于某些路由协议（如链路状态路由）或在广播消息到本地网络段上的每个设备时（如以太网网络中的ARP请求，用于将IP地址转换为MAC地址），但仅限于特定情况。

现代计算机网络通常更倾向于使用更有效的通信技术，如单播（发送给单个接收者）、多播（发送给多个指定接收者）或广播（发送给子网上的所有设备）。

为什么我们在计算机网络中使用泛洪？

在计算机网络中，泛洪在某些场景下使用，因为它的特性具有优势。以下是我们在计算机网络中使用泛洪的一些原因：

1. 地址解析

在局域网（LAN）中，设备经常使用地址解析协议（ARP）将IP地址转换为实际的MAC地址。当设备需要查找同一子网中与特定IP地址关联的MAC地址时，它会使用ARP发送一个广播消息，这是一种泛洪。这使得设备能够动态更新其ARP缓存。

2. 路由协议

链路状态路由（例如OSPF）是路由协议之一，它在操作中使用泛洪。在链路状态路由中，路由器通过泛洪链路状态广告（LSA）数据包来通信网络拓扑。这有助于路由器构建网络的统一拓扑视图。

3. 宣告和网络发现

泛洪可用于网络宣告和发现。例如，动态主机配置协议（DHCP）通过广播来查找网络中的DHCP服务器。对于类似打印机发现等服务，网络设备可能会广播宣告。

4. 组播树的建立

为了建立组播分发树，一些组播路由算法会泛洪网络，以传播初始的组播组成员信息。一旦树建立，组播流量就可以有效地转发给组成员。

5. 紧急广播

在紧急情况下，如灾难恢复场景或网络警报，泛洪可以用于确保重要消息能够到达网络上的所有设备，无论它们的位置或地址如何。

在这些特定情况下，泛洪是有用的，但值得注意的是，在当今的计算机网络中，它通常不是常规数据通信的首选方法。

这是因为泛洪可能带来安全风险、增加网络拥塞和浪费网络资源。为了最大化网络性能并减少不必要的数据传输，实际上，单播、多播和广播是常规网络流量的首选。

计算机网络中泛洪的特点

一种称为泛洪的计算机网络通信方法具有以下基本特征：

• 广播：泛洪涉及将数据包广播到网络上的每个连接设备，而不是发送到预先确定、已知目的地。这确保了数据能够到达网络上的所有设备。
• 无需事先了解：泛洪不需要事先了解网络拓扑或设备的精确地址。当发送方不知道接收者的位置时，就会使用这种方法。
• 简单且健壮：泛洪是一种简单而可靠的网络通信方法。它易于实现，因为它不依赖于复杂的路由算法或网络配置。
• 单播与广播：在计算机网络中，泛洪是一种可以用于单播场景（将数据发送给一个人）的通信方式。现在可以通过了解目的地来实现。
• 潜在的低效性：泛洪存在一些缺点，其中之一是潜在的低效性。它会将数据发送给所有设备，从而产生大量不必要的网络流量，导致网络拥塞并增加资源使用。
• 防止循环：泛洪通常使用诸如生存时间（TTL）计数器之类的机制来防止数据包在网络中无限期地循环。随着数据包的转发，TTL会减少，当其达到零时，数据包就会被丢弃。
• 用于特定场景：泛洪主要用于特定情况，例如以太网网络中的地址解析 ARP 请求、链路状态路由操作，以及网络发现或宣告协议。
• 安全考虑：泛洪会将私有信息暴露给非预期的接收者。为了防止未经授权访问数据，在安全的网络环境中，泛洪受到限制和控制。
• 资源利用：网络设备需要处理并可能丢弃并非为其设计的泛洪数据包。这可能会消耗设备上的内存和处理资源。

计算机网络中泛洪的局限性

泛洪的主要局限性如下：

• 网络拥塞：由于泛洪会将数据包发送到网络上的每个连接设备，因此会产生大量的网络流量。所有设备都可能经历延迟增加、网络拥塞和网络性能下降。
• 带宽浪费：泛洪会消耗网络带宽，因为它将数据包发送到每个设备，尤其是在设备数量很多的情况下。这种低效性在带宽使用和能源消耗方面都可能代价高昂。
• 安全风险：泛洪可能将私有信息暴露给非预期的接收者。未经授权的设备有可能截获并可能滥用并非为其设计的数据包。
• 资源消耗：即使它们不是预期的接收者，网络上的设备也必须处理传入的数据包。这种对处理和内存资源的利用可能会影响这些设备的整体性能。
• 可扩展性差：随着网络规模的增加，泛洪变得越来越不切实际。大型网络可能拥有一个数量庞大的设备，每个泛洪数据包都会被接收，这会加剧资源使用和网络拥塞。
• 对单播低效：即使只有一个设备是预期接收者，泛洪也会浪费性地将数据发送到网络上的所有设备，这使其对单播通信（将数据发送给单个接收者）效率低下。
• 控制有限：数据传输只能通过泛洪进行部分控制。无法确保服务质量、为特定类型的流量设置较高优先级或管理数据在网络中传输的路径。
• 广播风暴：在某些情况下，例如以太网网络，过度的广播可能导致广播风暴，网络被广播流量淹没，变得不稳定或完全崩溃。
• 不保证送达：泛洪会尽力触及所有设备，但不能保证数据能够成功送达所有设备。由于各种原因，设备可能关机、断开连接或无法访问。
• 大型网络中的复杂性：在大型复杂网络中，管理泛洪的影响（如处理循环）可能很困难，并且可能需要额外的网络协议。

由于这些缺点，泛洪通常只在无法使用其他通信方式的情况下，或在用于网络发现和维护的路由协议中才会在特定场景下使用。