淺談生成樹技術(shù)原理及應(yīng)用

韓明

摘要：早期企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時往往采用了扁平型的組網(wǎng)架構(gòu)，多采用單點(diǎn)互聯(lián)方式。這樣的組網(wǎng)架構(gòu)過于簡單，運(yùn)行時沒有冗余功能，往往其中一臺交換機(jī)故障就會造成企業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信故障，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)終止。現(xiàn)在是一個信息化飛速發(fā)展的時代，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時往往對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求比較高，要求其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多點(diǎn)互聯(lián)，多機(jī)熱備。生成樹技術(shù)能夠在二層交換網(wǎng)中保證企業(yè)網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)互聯(lián)，同時也能夠避免交換網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路。

關(guān)鍵詞：生成樹；Stp；Rstp；Mstp

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0003-02

1 傳統(tǒng)單點(diǎn)互聯(lián)交換網(wǎng)絡(luò)的缺陷

早期的小型網(wǎng)絡(luò)往往采用單點(diǎn)互連，企業(yè)的終端計算機(jī)通過多臺交換機(jī)連接在一起，這種網(wǎng)絡(luò)部署簡單，成本低廉。但是單點(diǎn)互聯(lián)往往會因為交換機(jī)故障造成數(shù)據(jù)通信失敗。對于一些大型的企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，特別是銀行、證券等對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求非常高的企業(yè)，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是不合格的。如果部署這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會影響。

2 采用多點(diǎn)互連交換網(wǎng)絡(luò)的問題

2.1以太網(wǎng)環(huán)路問題

當(dāng)我們采用多點(diǎn)互聯(lián)時，由于以太網(wǎng)對于未知的單播幀采用泛洪的廣播方式，這樣就會形成廣播風(fēng)暴。以太網(wǎng)的廣播特性就是將自己收到的廣播幀復(fù)制到所有其他端口進(jìn)行發(fā)送，其他的設(shè)備都能收到這樣一個廣播幀，但是由于多點(diǎn)互聯(lián)原因，這個廣播幀會被發(fā)送的交換機(jī)收到，此交換機(jī)又接著將此廣播幀接著復(fù)制擴(kuò)散到其他端口進(jìn)行發(fā)送，形成一個死循環(huán)，一直到設(shè)備硬件資源消耗殆盡，網(wǎng)絡(luò)停止服務(wù)為止。

2.2交換機(jī)Mac地址表抖動問題

交換機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時是依靠Mac地址表的，這張表是交換機(jī)基于端口連接的終端主機(jī)的源地址自己動態(tài)學(xué)習(xí)到的。如果網(wǎng)絡(luò)有環(huán)路，交換機(jī)在傳遞未知單播幀時可能會遇到其他交換機(jī)地址表中也沒有相應(yīng)記錄的情況，那么數(shù)據(jù)幀會攜帶源Mac地址由其他的端口發(fā)還給始發(fā)交換機(jī)，始發(fā)送交換機(jī)會學(xué)習(xí)到另一條源Mac地址相同的端口號，交換機(jī)會頻繁的對Mac表進(jìn)行刷新，造成通信問題。

2.3交換機(jī)多幀復(fù)制問題

由于交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的原因，交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，可能將一個單播幀多次發(fā)送給目的主機(jī)，目的主機(jī)會存在多個副本，這樣會造成網(wǎng)絡(luò)帶寬及設(shè)備性能的極大浪費(fèi)。

3 生成樹協(xié)議的作用

生成樹協(xié)議能夠在企業(yè)使用設(shè)備間多點(diǎn)互聯(lián)冗余的情況下解決環(huán)路問題。生成樹協(xié)議首先會在多臺設(shè)備間選舉一臺性能最好的設(shè)備作為根橋，接著生成樹協(xié)議會基于最短路徑來選擇出根端口，最后生成樹協(xié)議會選舉出指定端口。選舉結(jié)束后不是根端口和指定端口的接口會被生成樹協(xié)議阻塞掉，這個端口此時不能夠在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)，但是它能夠接受其他設(shè)備發(fā)過來的bpdu報文，如果其他設(shè)備故障，這個端口會恢復(fù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4 生成樹協(xié)議的bpdu報文

生成樹協(xié)議在工作時主要靠Bpdu報文來實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的溝通。Bpdu又名橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元，該協(xié)議在生成樹中有兩種應(yīng)用，第一種叫配置Bpdu，用于生成樹協(xié)議種的設(shè)備進(jìn)行根橋、相應(yīng)端口的選舉。第二種叫做拓?fù)渥兏麭pdu，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時的通知信息。交換機(jī)的Mac地址表中的條目默認(rèn)的老化時間是300秒，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的連接鏈路發(fā)生了改變時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的端口也隨之發(fā)生改變，由于交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時還是會按照地址表中端口轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就會造成通信故障。Stp協(xié)議通過拓?fù)渥兏麭pdu報文來通知網(wǎng)絡(luò)鏈路的變化情況，告知其他設(shè)備提前刷新地址表，解決了Mac地址表老化時間和拓?fù)渥兓煌皆斐傻耐ㄐ艈栴}。生成樹協(xié)議Bpdu報文的關(guān)鍵字段主要有：1）橋ID：由網(wǎng)橋優(yōu)先級加上網(wǎng)橋的mac地址組成，其中的網(wǎng)橋優(yōu)先級默認(rèn)為32768，可配置。2）根路徑開銷總和：描述到達(dá)根橋的距離及到達(dá)根橋經(jīng)過的路徑開銷總和。

網(wǎng)橋端口ID：由網(wǎng)橋端口的優(yōu)先級加上網(wǎng)橋端口編號組成，端口優(yōu)先級默認(rèn)128。

計時器：計時器主要定義了設(shè)備在進(jìn)行生成樹時每一步工作需要多少時間來完成，生成樹協(xié)議當(dāng)中的計時器主要有：1）老化時間計時器；2）設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)延遲計時器；3）設(shè)備間通信時發(fā)送配置Bpdu的Hello計時器。

5 生成樹協(xié)議的選舉機(jī)制

5.1生成樹協(xié)議的選舉規(guī)則

生成樹選舉規(guī)則是比小，不是比大。如例：網(wǎng)橋1的橋優(yōu)先級為默認(rèn)的32768，網(wǎng)橋2的橋優(yōu)先級被設(shè)置為4096，那么網(wǎng)橋2的優(yōu)先級就比網(wǎng)橋1要更優(yōu)，會被選舉為根橋。

5.2生成樹協(xié)議根橋的選舉原則

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行生成樹協(xié)議時，首先會認(rèn)為自己是根橋，同時向其他設(shè)備通告，并接受其他設(shè)備發(fā)過來的配置Bpdu。設(shè)備會將自己的橋ID和其他設(shè)備發(fā)送過來的橋ID進(jìn)行對比。按照選舉的規(guī)則，橋ID小的設(shè)備會成為根交換機(jī)。因為橋ID是由橋優(yōu)先級和設(shè)備自己本身的Mac地址組成的，那么就避免了設(shè)備在選舉根橋時選不出來的尷尬情況。即使設(shè)備的橋優(yōu)先級都保持默認(rèn)，但由于每臺交換機(jī)的Mac地址不可能相同，接著比Mac地址也可以選出優(yōu)先設(shè)備，Mac地址小的設(shè)備會被選舉為根交換機(jī)。

5.2設(shè)備根端口選擇

在生成樹協(xié)議選出根交換機(jī)后，其他的非根交換機(jī)需要確定根端口。設(shè)備在選擇根端口時有以下規(guī)則。1）設(shè)備首先會檢查自己連接到根交換機(jī)的端口，在多個端口中比較那個端口連接到根網(wǎng)橋的路徑開銷值最小，那么這個端口就是最優(yōu)先的端口，會被選為根端口。2）如果是兩臺交換機(jī)通過兩條雙絞線直連的拓?fù)淝闆r，那么由于非根設(shè)備連接根交換機(jī)的端口到達(dá)根網(wǎng)橋的路徑開銷時相同的，那么非根設(shè)備會接著比較自己的兩個端口的端口ID，數(shù)值小的端口會成為根端口，另一個端口會被阻斷。

5.3 設(shè)備指定端口的選擇

生成樹協(xié)議完成以上工作后接著要選擇出指定端口，指定端口是能夠正常發(fā)送數(shù)據(jù)的非根端口，在生成樹協(xié)議中根交換機(jī)的所有端口都是指定端口。指定端口在選舉中首先會比較自己連接到根端口的路徑開銷，如果路徑開銷一致，接下來會比較自己和其他非根交換機(jī)的橋ID，橋ID小的設(shè)備端口會成為指定端口。

6 生成樹協(xié)議的分類

6.1 Stp生成樹協(xié)議

生成樹協(xié)議，最早應(yīng)用的生成樹協(xié)議，其他生成樹協(xié)議的起源。由于該協(xié)議開發(fā)的比較早，所以缺陷比較多。其中最大的問題是收斂時間過慢。如果交換機(jī)直連的網(wǎng)絡(luò)鏈路故障時stp協(xié)議的收斂時間大約為30秒左右。如果是因為根橋設(shè)備問題，硬件資源消耗殆盡，遲遲不能將Bpdu通告?zhèn)€其他非根交換機(jī)，那么其他非根交換機(jī)會持續(xù)等待到計時器超時，再加上兩倍的轉(zhuǎn)發(fā)延時時間，總共50秒鐘的時間才能完成收斂。由于收斂時間過慢，Stp協(xié)議現(xiàn)階段已經(jīng)淘汰，很少有企業(yè)使用。Stp生成樹協(xié)議對于端口定義了幾種狀態(tài)機(jī)制。

1）阻塞狀態(tài) 在在這種狀態(tài)下交換機(jī)不轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)，但是可以接收Bpdu數(shù)據(jù)。

2）偵聽狀態(tài) 在這種狀態(tài)下交換機(jī)可以接受和發(fā)送Bpdu，但是不能接受和發(fā)送任何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

3）學(xué)習(xí)狀態(tài)：在這種狀態(tài)下交換機(jī)開始學(xué)習(xí)端口連接主機(jī)的網(wǎng)卡硬件地址，建立硬件地址表，為下一步轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)做好最后的準(zhǔn)備。

4）轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)：在這種狀態(tài)下交換機(jī)可以發(fā)送和接受各種數(shù)據(jù)，包含交換機(jī)之間通信的Bpdu。

6.2 Rstp 快速生成樹協(xié)議

Rstp是在傳統(tǒng)生成樹協(xié)議上改進(jìn)出來的一種快速生成樹協(xié)議，它的Bpdu和Stp協(xié)議的Bpdu基本上相同?？焖偕蓸鋮f(xié)議的最大特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)拓?fù)渥兓堑氖諗繒r間要大大的快于Stp協(xié)議。它改進(jìn)了Stp協(xié)議的端口機(jī)制，將端口的狀態(tài)機(jī)制進(jìn)行了一定的優(yōu)化，設(shè)備會快速的由阻塞狀態(tài)遷移到偵聽狀態(tài)，最后發(fā)展到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。同時Rstp協(xié)議定義了它的兩種端口角色，替代端口和備份端口。其中是替代端口是根端口的備份，備份端口是指定端口的備份。備份端口只有在交換機(jī)連接集線器這樣的總線型設(shè)備，或者一個交換機(jī)上連線時產(chǎn)生自環(huán)時才能產(chǎn)生。Rstp在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時能夠快速響應(yīng)，這是因為Rstp協(xié)議采用了Pa機(jī)制。交換機(jī)利用Pa機(jī)制能夠更快的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)變化時的同步速度。

6.3 mstp 多生成樹協(xié)議

Rstp協(xié)議在一定程度上解決了生成樹收斂速度慢的問題，在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中部署的也比較多。但是該協(xié)議也有相應(yīng)的缺陷。如企業(yè)多點(diǎn)互聯(lián)時，總會有一條鏈路被阻斷，企業(yè)多個不同vlan流量的數(shù)據(jù)會在一條鏈路上進(jìn)行傳遞，浪費(fèi)了企業(yè)設(shè)備的帶寬。同時由于網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生故障時會生成樹會進(jìn)行鏈路的切換，可能因為其它鏈路上的交換機(jī)沒有統(tǒng)一配置相應(yīng)的vlan

造成通信故障。因為上述原因，所以在生成樹協(xié)議中又產(chǎn)生了一種Mstp協(xié)議。Mstp協(xié)議在實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)冗余的條件下，同時還可以對企業(yè)的業(yè)務(wù)流量進(jìn)行負(fù)載均衡。該協(xié)議和其他生成樹協(xié)議不同的地方是它以實(shí)例來進(jìn)行生成樹的運(yùn)算，每個mstp的實(shí)例中會建立相應(yīng)的vlan映射關(guān)系，這個映射關(guān)系每臺設(shè)備必須統(tǒng)一。如我們在s1交換機(jī)上創(chuàng)建instance 1，其中包含了vlan 1，vlan10，創(chuàng)建instance2其中包含vlan20、vlan30 ，那么在s2這臺設(shè)備上也需要配置同樣的映射關(guān)系。我們可以統(tǒng)過創(chuàng)建多個實(shí)例，并將不同設(shè)備設(shè)置為不同實(shí)例的根橋來實(shí)現(xiàn)流量的負(fù)載均衡。如我們可以在s1交換機(jī)上通過配置優(yōu)先級來讓其成為實(shí)例1的根橋，在s2交換機(jī)上也配置優(yōu)先級讓其成為實(shí)例2的根橋，這樣就會讓vlan1和vlan10的流量通過s1交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，同樣vlan20、30的流量會通過s2交換機(jī)的鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時兩臺設(shè)備可以互為備份。通過以上配置既可以給企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)提供交換冗余，又能有效的利用設(shè)備鏈路，達(dá)到負(fù)載均衡的作用。

7 生成樹技術(shù)的部署原則

1）大多數(shù)網(wǎng)管交換機(jī)出廠時默認(rèn)都開啟了生成樹協(xié)議，但是少部分設(shè)備默認(rèn)是關(guān)閉的，所以配置時需檢查生成樹協(xié)議是否開啟，最好先配置再連線。

2）在部署生成樹協(xié)議上要保持設(shè)備運(yùn)行相同的生成樹協(xié)議，雖然Rstp向下兼容Stp協(xié)議，但是網(wǎng)絡(luò)的收斂速度會變慢，最好企業(yè)在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時采用Mstp協(xié)議，在保證冗余的情況下，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

8 結(jié)束語

生成樹協(xié)議的出現(xiàn)，解決了企業(yè)交換網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)互聯(lián)時產(chǎn)生的環(huán)路問題，提升了企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，同時mstp協(xié)議在保證企業(yè)網(wǎng)絡(luò)冗余性的同時還提供了負(fù)載均衡的作用，是一個優(yōu)秀的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱凱進(jìn)，席小剛.淺析生成樹協(xié)議在大型局域網(wǎng)內(nèi)的正確應(yīng)用[J].硅谷，2010（24）.