基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件分析負(fù)載均衡協(xié)議

耿強 黃雪琴 姜文波 陳顯軍 紀(jì)洲鵬

摘 要：針對STP和PVST協(xié)議的特點，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行仿真，通過對仿真結(jié)果的分析和比較，掌握兩種協(xié)議的工作原理及特點。特別是通過仿真環(huán)境的實現(xiàn)，體現(xiàn)出PVST協(xié)議具備負(fù)載均衡的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；Packet Tracer；負(fù)載均衡；協(xié)議分析

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

在網(wǎng)絡(luò)工程實施時，時常會在特定場合或設(shè)備上配置STP或PVST協(xié)議，以解決網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的物理環(huán)路問題。通過這兩個協(xié)議，可以消除網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生環(huán)路的影響，若靈活采用PVST協(xié)議，還可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運行效果。

1 STP協(xié)議和PVST協(xié)議特點

在網(wǎng)絡(luò)的實施部署過程中，為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，并盡量避免單點故障，時常會采用物理環(huán)線的方式來保障網(wǎng)絡(luò)完全，不論任何一條物理鏈路中斷，都會有另外一條鏈路接替，從而確保網(wǎng)絡(luò)可正常使用，可靠運行。但在交換式以太網(wǎng)中，一旦交換機接收一個未知目的地的數(shù)據(jù)幀時，交換機將采用轉(zhuǎn)發(fā)方式廣播該幀，在物理環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中將造成廣播風(fēng)暴或交換機MAC地址表不穩(wěn)定的后果，甚至導(dǎo)致交換機或網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

1.1 STP

在網(wǎng)絡(luò)中最早引入了生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP）來解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。該協(xié)議采用對應(yīng)算法，實現(xiàn)了邏輯上的自適應(yīng)斷環(huán)，以防止廣播風(fēng)暴等問題產(chǎn)生。該協(xié)議一般在交換機上已默認(rèn)開啟。

由于在STP協(xié)議的工作原理中，關(guān)于根交換機的推舉基于交換機的ID進(jìn)行判斷，而ID由優(yōu)先級和MAC地址組成，默認(rèn)優(yōu)先級是32768，因而如果在優(yōu)先級不改變的情況下，根交換機的推選就依賴于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身的MAC，但MAC地址一般已燒錄在設(shè)備中，具有不確定性，難以修改。

由于STP中交換機選擇根網(wǎng)橋時，不會修改交換機ID中的優(yōu)先級字段，使用默認(rèn)值，因此根交換機的選擇依據(jù)就是其MAC地址，而MAC地址是一個隨機數(shù)，有可能導(dǎo)致性能較差或邊緣化的交換機被選中為根交換機等狀況出現(xiàn)，影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。且后期可能會導(dǎo)致當(dāng)前的根交換機失效，面臨不斷重新選取根交換機的局面，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的使用效果不佳。

1.2 PVST

PVST（Per-VLAN Spanning Tree，PVST）可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同的VLAN來運行獨立的生成樹實例，并根據(jù)參數(shù)自定義或優(yōu)化根交換機的選舉，同時為每個VLAN的數(shù)據(jù)流選擇更優(yōu)的路徑，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體的負(fù)載均衡效果。

2 利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件實現(xiàn)協(xié)議分析

2.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

針對STP、PVST兩個協(xié)議的使用場景，使用Packet Tracer仿真設(shè)計圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用2臺2960作為接入層設(shè)備S1、S2，1臺2950T作為匯聚層設(shè)備S3，針對3臺交換機分別新建一個VLAN 2。將3臺交換機之間的鏈路均設(shè)置為trunk模式。

2.2 STP場景分析

由于在Packet Tracer中使用的3臺交換機都已默認(rèn)開啟了STP協(xié)議，在3臺交換機的特權(quán)模式下可用命令“show spanning-tree”查看已為VLAN 1和VLAN 2開啟的生成樹協(xié)議。

以交換機S1為例，在VLAN 1和VLAN2中Root ID的Address均為 0060.479C.3676，即交換機S2被推舉為根交換機。原因在于此時交換機的默認(rèn)優(yōu)先級都是 32768，而S2的MAC 較小，因此成為該網(wǎng)絡(luò)中的根交換機。選擇情況如圖2所示。

S1有兩個接口可以到達(dá)S2，即F0/15（到達(dá)S2的Cost為19+19=38）和F0/13（到達(dá)S2的Cost為19），因此F0/13是根口，處于Forword狀態(tài)。同理S3的F0/2也是根口，處于Forword狀態(tài)。在S1和S3之間的鏈路上，需選舉一個指定口。由于S1比S3的MAC小，所以S1獲勝，其F0/15是指定口，處于Forward狀態(tài)，S3的F0/1就處于Block狀態(tài)。端口狀態(tài)如圖3所示。

當(dāng)使用Ping命令進(jìn)行跨交換機，相同VLAN主機的連通性測試時，可利用Packet Tracer“模擬狀態(tài)”下的數(shù)據(jù)流進(jìn)行測試。由于S3的F0/1處于Block阻塞狀態(tài)，因而所有經(jīng)過S3的VLAN數(shù)據(jù)流都只能通過F0/2端口轉(zhuǎn)發(fā)，增大了該端口的壓力。

由上可知，在STP協(xié)議下，根交換機的選擇主要取決于其MAC地址，具有一定的隨機性，無法較好地保證網(wǎng)絡(luò)運行的最優(yōu)性，同時也增加了局部設(shè)備端口的負(fù)載壓力。

2.3 PVST場景分析

在交換機S1和S2的全局配置模式下，輸入以下命令調(diào)整不同VLAN設(shè)置較小的優(yōu)先級值，將S1作為VLAN 1的根交換機，S2作為VLAN 2的根交換機：

S1（config）#spanning-tree vlan 1 priority 4096

S2（config）#spanning-tree vlan 2 priority 4096

經(jīng)上述配置后，根交換機情況如圖4所示。在交換機S1中，VLAN 1的根交換機指向S1本身，而VLAN 2的根交換機指向交換機S2。同時也可驗證，在交換機S2中VLAN 1的根交換機指向S1本身，而VLAN 2的根交換機指向交換機S2。

通過上述描述，可在仿真軟件的“模擬”模式下發(fā)包測試。從S2的PC1發(fā)出的ICMP數(shù)據(jù)流屬于VLAN 1，數(shù)據(jù)流經(jīng)過接入層設(shè)備S1后，從匯聚層設(shè)備S3的F0/1端口轉(zhuǎn)發(fā)至S3的F0/4接口中同在VLAN 1的PC3主機。而從S1的PC2發(fā)出的ICMP數(shù)據(jù)流屬于VLAN 2，可見數(shù)據(jù)流經(jīng)過接入層設(shè)備S2后，從匯聚層設(shè)備S3的F0/2端口轉(zhuǎn)發(fā)至S3的F0/3接口中同在VLAN 2的PC0主機。PVST下S3各端口的狀態(tài)如圖5所示。

由測試結(jié)果可知，在PVST協(xié)議配置模式的作用下，實現(xiàn)了VLAN 1和VLAN 2數(shù)據(jù)流按照網(wǎng)絡(luò)管理人員的規(guī)劃進(jìn)行分流的目的，同時不同的VLAN選擇根交換機的模式更為靈活，進(jìn)一步保障了網(wǎng)絡(luò)的可用性，并實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡效果。

3 結(jié) 語

結(jié)合上述分析和仿真結(jié)果，一方面對STP和PVST協(xié)議的實現(xiàn)進(jìn)行了研究和說明，另一方面對于二者之間的區(qū)別和聯(lián)系作了分析。從而證明，PVST協(xié)議在根交換機的選擇以及負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)可靠性保障上更有優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]曹雪峰，孟偉，傅冬穎.虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下路由綜合實驗設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：98-102.

[2]宋焱宏.利用Packet Tracer軟件實現(xiàn)交換機工作原理的模擬[J].電腦知識與技術(shù)，2009，5（4X）：3142-3143.

[3]陳志紅.VLAN 技術(shù)及其在校園網(wǎng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2008，27（10）：148-149.

[4]陰國富.VLAN及其在校園網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J].電子設(shè)計工程，2009，17（10）：125-126.

[5]李永，甘新玲.基于 PacketTracer 的路由綜合實驗設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2015，34（9）：111-114.

[6]龍艷軍，歐陽建權(quán)，俞佳曦，等.基于GNS3和VMware的虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成實驗室研究[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（2）：90-93.

[7] Dhakal， S， Hayat M， Pezoa J，et al.Dynamic load balancing indistributed systems in the presence of delays： a regeneration-theory approach [J].IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst.，2007，18（4）：485-497.

[8]曹雪峰.計算機網(wǎng)絡(luò)原理—基于實驗的協(xié)議分析方法[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2014.