兩種生成樹協(xié)議分析及其在模擬器中的實驗仿真

李 勇， 相中啟， 楊華芬， 王勝文

(1.曲靖師范學院 信息工程學院，云南 曲靖 655011；2.上饒師范學院 數學與計算機科學學院，江西 上饒 334001；3.六盤水師范學院 數學與信息工程學院, 貴州 六盤水 553004)

0 引 言

在實際網絡組建過程中，為了減少網絡故障，通常會在一些關鍵鏈路上增加備份冗余鏈路，然而備份冗余鏈路的存在卻會產生網環(huán)路、引起廣播風暴，極大地消耗了網絡帶寬資源[1-2]。生成樹協(xié)議是解決網絡中環(huán)路的有效技術手段，在實際網絡組建過程中被廣泛使用，需要學生很好地加以掌握。因此，近年來，生成樹協(xié)議受到了廣泛關注，成為實踐教學中的研究重點。文獻[3-6]中分析了生成樹協(xié)議的工作原理、介紹了其實驗設計與實現(xiàn)。文獻[7-8]中介紹了使用生成樹協(xié)議解決網絡環(huán)路的技術方案。文獻[9-10]中討論了生成樹協(xié)議在園區(qū)網絡設計中的應用。

然而，在傳統(tǒng)的實踐教學過程中，由于實驗室設備、環(huán)境等因素的限制，無法很好地開展生成樹協(xié)議的實驗教學。為了有效地輔助生成樹協(xié)議的實驗教學，加深學生對兩種生成樹協(xié)議工作原理的理解、掌握兩種生成樹協(xié)議的配置命令，使用思科分組跟蹤器設計網絡結構進行實驗仿真，該模擬器不受設備、環(huán)境等因素的限制，學生隨時隨地可以進行實驗仿真、觀察和分析，可有效地鍛煉學生的實踐動手能力和分析問題解決問題的能力[11-12]。

1 生成樹協(xié)議

1.1 基本生成樹協(xié)議簡介

根據IEEE 802.1d的定義，基本生成樹協(xié)議(Spanning-Tree Protocol, STP)是一種網橋嵌套協(xié)議，主要用于解決冗余網絡中的廣播風暴問題。其工作原理是，定義一個用于通信的網橋協(xié)議數據單元(Bridge Protocol Data Unit, BPDU)，并用BPDU的相關機制來動態(tài)選擇根網橋和備份網橋，由于中心網橋到任何網段只有一個路徑存在，達到了消除網絡環(huán)路的目的。BPDU在生成樹算法中扮演著重要角色，通過廣播BPDU包，啟用生成樹協(xié)議的交換機或網橋可以確定各端口的工作狀態(tài)、角色、轉發(fā)數據幀的路徑，有關端口的角色分類和狀態(tài)轉換詳情可參考文獻[13], BPDU數據包格式如圖1所示。

圖1 BPDU數據包格式

其中，DMA為目的MAC地址；SMA為源MAC地址；L/T為幀長；LLC Header為配置消息固定的鏈路頭；Payload為BPDU數據，主要包括內容有根網橋RootID、從指定網橋到根網橋的最小路徑開銷RootPathCost、指定網橋ID、指定網橋指定端口ID等。

1.2 基本生成樹協(xié)議工作原理

基本生成樹協(xié)議為實現(xiàn)無環(huán)樹網絡的構建，網絡中的橋接設備之間需要不斷的相互轉發(fā)BPDU,以便確定應該阻塞哪些接口，從邏輯上斷開哪些冗余備份鏈路。BPDU攜帶有根橋ID、橋優(yōu)先級、端口優(yōu)先級、路徑代價等用于生成樹計算的所有數據信息[13-15]。其中，橋ID由網橋優(yōu)先級+網橋MAC地址兩部分組成，路徑代價是由網絡鏈路長度、帶寬等因素累加因素決定的權值?；旧蓸鋮f(xié)議算法的具體實現(xiàn)過程主要包括選取根橋、選取根端口、選取指定端口3個階段。下面以圖2所示的帶環(huán)路初始網絡為例分析基本生成樹協(xié)議的具體工作過程。

圖2 帶環(huán)路初始網絡

(1) 選取根橋。根橋的選取辦法是先比較網絡中各網橋的優(yōu)先級，然后再比較各網橋MAC地址，如果優(yōu)先級相同，則選擇MAC地址數最小的作為根網橋，圖2中橋接器B1的優(yōu)先級最小，因此，選取B1為根橋，根橋B1上的所有端口均為指定端口，B2、B3、B4、B5為非根橋，以根橋為起始點出發(fā)，構造通向網絡中每一個網橋和局域網的無環(huán)樹狀網絡。

(2) 選取根端口。計算以根橋B1為起點連接非根橋B2、B3、B4、B5中各端口的通路路徑，選取連接到根橋通路路徑最短的端口為非根橋的根端口，如果有多個端口連接的通路路徑最短，則根據選擇順序產生根端口，最后，以根端口連接到根橋的通路路徑為非根橋到根橋的最佳路徑、路徑值為非根橋到根橋的路徑值。由此，計算出B2連接至B1的最佳路徑為LAN1，路徑值為4，根端口為端口2；B3連接至B1的最佳路徑為LAN2，路徑值為4，根端口為端口2；B4連接至B1的最佳路徑為LAN3、LAN1，路徑值為23，根端口為端口3；B5連接至B1的最佳路徑為LAN4、LAN2，路徑值為104，根端口為端口2。

(3) 選取指定端口。以選取根端口階段計算的結果為LAN1、LAN2、LAN3、LAN4、LAN5各網段指定橋接器，選取到根橋路徑值最小的橋接器為指定橋接器，如果有多個橋接器到根橋路徑值最小，則選擇優(yōu)先級較小的橋接器為指定橋接器，如果指定橋接器有多個端口與指定網絡相連，則進一步比較端口的優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級較小的端口為指定端口，其他端口為阻塞口。由此得出LAN1、LAN2為根橋的直連網絡，指定橋接器即為根橋，指定端口分別為根橋的端口1、端口2；LAN3連接根橋的指定橋接器為B2、指定端口為端口1；LAN4連接根橋的橋接器B2、B3的路徑值都為4，但B3的優(yōu)先級小于B4的優(yōu)先級，因此，LAN4連接根橋的指定橋接器為B3、指定端口為端口1，阻塞B2的端口3；LAN5連接根橋的指定橋接器為B4，B4中兩端口選擇端口2為指定端口，阻塞端口1，原因是端口2的優(yōu)先級小端口1。

按上述生成樹算法工作到收斂狀態(tài)(所有網橋或交換機的端口都轉變?yōu)檗D發(fā)狀態(tài)或阻塞狀態(tài)稱為收斂)后，圖2所示的帶環(huán)路初始網絡即可轉變?yōu)閳D3所示的無環(huán)路樹狀網絡，圖3中虛擬線表示從邏輯上應該阻塞的鏈路。

圖3 無環(huán)樹狀網絡

1.3 快速生成樹協(xié)議

快速生成樹協(xié)議(Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP)由STP發(fā)展而來，在IEEE 802.1w標準中對其規(guī)范進行了詳細描述，實現(xiàn)的思想基本一致。RSTP相對于STP來講，STP通常需要30～50 s的收斂時間，而RSTP為了減少收斂時間，多了一些減少收斂時間的措施，具體措施為：①口接入的是計算機或者其他不運行STP的設備時，使接口立即進入轉發(fā)狀；②當接入層交換機連接到主干交換機上的主鏈路出現(xiàn)故障時，立即切換到備份鏈路，而不需再要經過30～50 s時間；③當主干交換機之間的鏈路出現(xiàn)故障時，只需經過30 s后即切換至備份鏈路，比原有的50 s少20 s。因此，當網絡結構改變時，RSTP可以快速恢復網絡的連通性，具有收斂速度快、端口進行轉發(fā)狀態(tài)需要的時間短等優(yōu)點，比STP使用更為廣泛。

2 實驗仿真

下面重點介紹RSTP協(xié)議實驗的仿真實現(xiàn)過程，有關STP協(xié)議實驗仿真的詳細過程描述可見文獻[6]。

2.1 RSTP協(xié)議實驗仿真

RSTP協(xié)議實驗的目的是：① 理解RSTP協(xié)議的工作原理；② 掌握RSTP協(xié)議的配置方法。在Cisco Packet Tracer模擬器中使用2臺Cisco 2960交換機、2臺PC主機、4根網線互相連接構成如圖4所示的實驗拓撲結構，其中PC1、PC2的IP地址分別配置為192.168.1.10/24、192.168.1.20/24。

圖4 RSTP協(xié)議實驗拓撲結構

實驗步驟如下：

步驟1配置交換機SwitchA、SwitchB之間的Trunk鏈路，命令如下：

SwitchA(config)#int fa0/1

SwitchA(config-if)#switchport mode trunk

SwitchA(config)#int fa0/2

SwitchA(config-if)#switchport mode trunk

SwitchB(config)#int fa0/1

SwitchB(config-if)#switchport mode trunk

SwitchB(config)#int fa0/2

SwitchB(config-if)#switchport mode trunk

步驟2配置交換機SwitchA為根橋，命令如下：

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

上述命令執(zhí)行完后，分別在SwitchA、SwitchB上執(zhí)行“show spanning-tree”命令檢查STP信息，發(fā)現(xiàn)SwitchB中fa0/2端口處于阻塞狀態(tài)，結果如圖5所示，主要原因是，配置SwitchA為根橋，則SwitchB為非根橋，SwitchB中端口fa0/1、fa0/2分別從SwitchA中fa0/1、fa0/2端口接收BPDU，兩條路徑的Cost值都為19，但是SwitchB中端口fa0/1接收的BPDU中發(fā)送者端口為1，優(yōu)先級更高，被選為根口，進行轉發(fā)狀態(tài)，而SwitchB中端口fa0/2接收的BPDU中發(fā)送者端口為2，優(yōu)先級更低，因此被阻塞。

圖5 SwitchB中STP信息

步驟3在SwitchB中關閉fa0/1，重復執(zhí)行“show spanning-tree”命令檢查重新生成的STP信息，發(fā)現(xiàn)fa0/2經過30 s后進入了轉發(fā)狀態(tài)。

步驟4配置RSTP，命令如下：

SwitchA(config)#spanning-tree mode rapid-pvst

SwitchB(config)#spanning-tree mode rapid-pvst

步驟5在SwitchB中關閉fa0/1，重復執(zhí)行“show spanning-tree”命令檢查重新生成的STP信息，發(fā)現(xiàn)fa0/2很快進入了轉發(fā)狀態(tài)，無需等待30 s，這說明RSTP的收斂時間比基本STP有很大改善。

2.2 驗證測試

為進一步驗證RSTP協(xié)議的工作原理及其消除網絡環(huán)路的作用，分別在打開SwitchB中Fa0/1端口和斷開SwitchB中Fa0/1端口兩種情況下進行測試驗證，在PC1中輸入命令ping 192.168.1.20測試到PC2的連通性，結果如圖6所示。

圖6 主機PC1 Ping 主機PC2的測試結果

上述實驗步驟及測試結果表明，當網絡存在環(huán)路時，RSTP可以自主的選擇優(yōu)先級較高的路徑轉發(fā)數據幀，而阻塞優(yōu)先級低的路徑，消除環(huán)路。當優(yōu)先級較高的轉發(fā)路徑出現(xiàn)故障斷開時，RSTP可以快速的選擇優(yōu)先級較低的備份鏈路轉發(fā)數據幀。驗證了RSTP協(xié)議的工作原理、作用，及其相比于基本STP的優(yōu)勢，達到了實驗的目的。

3 結 語

本文詳細分析了兩種生成樹協(xié)議的工作原理，并基于CPT模擬器設計了實驗網絡結構，對RSTP協(xié)議進行實驗仿真，通過對仿真實驗的研究與分析，進一步加深了學習者對兩種生成樹協(xié)議工作原理和算法執(zhí)行過程的理解、使其更容易掌握兩種生成樹協(xié)議的配置命令。同時，實驗仿真與分析過程表明，在CPT模擬器中進行仿真實驗操作簡單、方便，有效地克服了真實網絡環(huán)境下實驗可操作性差的問題。