一  交換機(jī)冗余鏈路

    許多交換機(jī)或交換機(jī)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常使用一些備份連接，以提高網(wǎng)絡(luò)的健全性，穩(wěn)定性。備份連接也叫備份鏈路，冗余鏈路等。

    為了解決共享式局域網(wǎng)的碰撞問題，采用了交換機(jī)構(gòu)成的交換式局域網(wǎng)，它可以識(shí)別數(shù)據(jù)幀中的封裝的MAC地址，并根據(jù)地址信息將數(shù)據(jù)交換到特定端口，這樣的工作方式使交換機(jī)不同端口之間不會(huì)碰撞，即分割碰撞域。但是單點(diǎn)失敗問題難以保證通信正常，因此需要冗余技術(shù)解決單點(diǎn)失敗問題。

    雖然使用冗余備份能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)帶來健全性，穩(wěn)定性，和可靠性等好處。但備份鏈路使網(wǎng)絡(luò)存在環(huán)路。環(huán)路問題是備份鏈路面臨的最嚴(yán)重的問題，將導(dǎo)致廣播風(fēng)暴，多幀復(fù)制，不穩(wěn)定的MAC地址表等問題。

    (1)廣播風(fēng)暴

    廣播風(fēng)暴是一種由于網(wǎng)絡(luò)上廣播太多導(dǎo)致的特殊堵塞情況，這也可能由失常的NIC卡，設(shè)計(jì)不足的網(wǎng)絡(luò)或橋接/交換回路導(dǎo)致。

    如果沒有回路規(guī)避服務(wù)，每個(gè)交換機(jī)就會(huì)無窮無盡地泛濫廣播。這種情況通常稱為網(wǎng)絡(luò)回路，從而產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)性能。消除回路的方案是通過在正常操作期間阻止四個(gè)接口中的傳輸或接收數(shù)據(jù)來解決的，也可以看到生成樹的工作情況。

   （2）重復(fù)非廣播幀傳輸

    多份非廣播幀傳給目的站。很多協(xié)議期望接收每個(gè)傳輸?shù)膯蝹€(gè)副本，同一幀的多個(gè)副本可能導(dǎo)致不可恢復(fù)的錯(cuò)誤。多數(shù)協(xié)議設(shè)計(jì)既不識(shí)別也不處理傳輸副本。通常利用序列號(hào)機(jī)制的協(xié)議假定多數(shù)傳輸失敗，序列號(hào)將被循環(huán)使用。其他協(xié)議試著傳輸副本到上層協(xié)議——這會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

    消除回路的方案是通過在正常操作期間阻止四個(gè)接口中的傳輸或接收數(shù)據(jù)來解決的，這也是生成樹協(xié)議的另一個(gè)目的。

   （3）MAC地址表的不穩(wěn)定性

    當(dāng)一個(gè)幀的多個(gè)副本到達(dá)交換機(jī)的不同端口時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)MAC地址表信息不穩(wěn)定。

    當(dāng)交換機(jī)在MAC地址表中因克服地址顛簸而消耗資源時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)可能被損壞，而根據(jù)交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不可能處理或不可能很好處理MAC數(shù)據(jù)庫的快速變化問題。

    消除回路的方案也是通過在正常操作期間阻止四個(gè)接口中的傳輸或接收數(shù)據(jù)來解決的，阻止數(shù)據(jù)庫的不穩(wěn)定性是生成樹協(xié)議的另一個(gè)功能。

    二 生成樹協(xié)議

   冗余功能是高可用性分層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)鍵要素，但是在網(wǎng)絡(luò)中配置多條路徑有可能導(dǎo)致環(huán)路。可使用生成樹協(xié)議（STP)來防止環(huán)路。

    生成樹協(xié)議定義在IEEE802.1d中，是一種橋到橋的鏈路管理協(xié)議，在防止產(chǎn)生自循環(huán)的基礎(chǔ)上提供路徑冗余。為了使以太網(wǎng)更好的工作，兩個(gè)工作站之間只有一條活動(dòng)路徑。網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的發(fā)生有多種原因，最常見的是故意生成的冗余，萬一一個(gè)鏈路或者交換機(jī)失敗，會(huì)有另一個(gè)鏈路或者交換機(jī)替代。所以STP的主要思想是存在冗余鏈路時(shí)，只允許主鏈路激活，如果主鏈路因故障斷開后，備用鏈路才會(huì)被打開。

    生成書協(xié)議分為三代：第一代生成樹協(xié)議STP（IEEE802.1d）；第二代生成樹協(xié)議RSTP（IEEE802.1w）；第三代生成樹協(xié)議MSTP。

    STP的主要作用：避免回路，冗余備份。生成樹的協(xié)議基于以下幾點(diǎn)：

    （1）有唯一的組地址（01-80-C2-00-00-00）標(biāo)識(shí)一個(gè)特定LAN上的所有的交換機(jī)。這個(gè)組地址能被所有的交換機(jī)識(shí)別。

    （2）每個(gè)交換機(jī)有唯一的標(biāo)識(shí)。

    （3）每個(gè)交換機(jī)的端口有唯一的端口標(biāo)識(shí)。

    對(duì)生成樹的管理還需要：對(duì)每個(gè)交換機(jī)協(xié)調(diào)一個(gè)相對(duì)的優(yōu)先級(jí)；對(duì)每個(gè)交換機(jī)的每個(gè)端口協(xié)調(diào)一個(gè)相對(duì)的優(yōu)先級(jí)；對(duì)每個(gè)端口協(xié)調(diào)一個(gè)路徑花費(fèi)。

    關(guān)于STP的工作原理：

    首先網(wǎng)橋有三個(gè)典型方式：透明橋，源路由橋，源路由透明橋。網(wǎng)橋連接兩個(gè)用同樣介質(zhì)存取控制方法的網(wǎng)段，IEEE802.1d 規(guī)范定義了透明橋。橋的兩邊的網(wǎng)段分屬于不同的沖突域，卻屬于同一個(gè)廣播域。

    透明橋是指對(duì)于數(shù)據(jù)的接收端看不到路徑中經(jīng)由的交換機(jī)，認(rèn)為數(shù)據(jù)是從發(fā)送端直接到達(dá)目的地。源路由橋是由IBM公司為它的令牌環(huán)路網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的。源透明路由橋是透明橋和源路由橋的結(jié)合。

    在一個(gè)由透明橋橋接的網(wǎng)絡(luò)里，存在冗余的路徑就能建立一個(gè)橋回路，但橋回路對(duì)一個(gè)局域網(wǎng)來說是致命的。而生成樹協(xié)議是一種嵌套橋協(xié)議，可以用來消除橋回路。它的工作原理是：生成樹協(xié)議定義一個(gè)數(shù)據(jù)包，稱為橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU，網(wǎng)橋用BPDU來相互通信，并使用BPDU的相關(guān)機(jī)能來動(dòng)態(tài)選擇根橋和備份橋，所以橋回路被消除。

    含BPDU的以太幀格式

    以太網(wǎng)幀頭包括DLC頭部，LLC頭部，BPDU字段，填充DLC的Padding。BPDU也經(jīng)常被封裝在IEEE802.q的頭部后。

    （1）DLC頭部：長(zhǎng)度14字節(jié)，包含 DMA , SAMA , L/T 三個(gè)字段。

* DMA：指目的MAC地址，BPDU通常采用的是Bridge group addr 網(wǎng)橋組多播地址，其多播目標(biāo)MAC地址為：01-80-c2-00-00-00.

* SAM：指源MAC地址。

* L/T：指幀長(zhǎng)。

    （2）LLC頭部：長(zhǎng)度為3字節(jié)，包括DSAP Address，SSAP Address，Unnumbered frame 字段。

    （3）BPDU:長(zhǎng)度為32字節(jié)。

   （4）DLC：長(zhǎng)度為8字節(jié)，是為了補(bǔ)齊60字節(jié)邊界用的DLC填充（Padding）8字節(jié)。

    BDPU分為兩種：包含配置信息的BPDU包，稱為配置BPDU；檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，則要發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU。

    配置BPDU編碼

    發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU幀格式

    對(duì)于配置BPDU，超過35字節(jié)的部分將被忽略；對(duì)于拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU，超過4字節(jié)的部分將被忽略掉。由配置BPDU和和發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU格式可見，發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU的組成部分是配置BPDU幀格式的幀頭部分。

    BPDU幀格式含義：

   （1）Protocol Identifier: 協(xié)議ID，長(zhǎng)度2字節(jié)，協(xié)議標(biāo)識(shí)符值固定為0。

  （2）Protocol Version Identifier：版本號(hào)，長(zhǎng)度為1字節(jié)，當(dāng)數(shù)值為00時(shí)，表示使用協(xié)議IEEE802.d；當(dāng)數(shù)值為02時(shí)，表示使用協(xié)議IEEE802.1w。

  （3）BPDU Type：消息類型，長(zhǎng)度為1字節(jié)，配置BPDU數(shù)值為ox00，配置TCN數(shù)值為ox80。

  （4）Flag：標(biāo)志長(zhǎng)度為一字節(jié)，字節(jié)最高低位用于標(biāo)識(shí)TC（Topology Change ，拓?fù)涫欠褡兓止?jié)最高位用于標(biāo)識(shí)TCA（Topology Change Acknowlegment，是否是拓?fù)渥兓_認(rèn)信息）。

  （5）Root Identifier：根ID，長(zhǎng)度為8字節(jié)，用于表示根網(wǎng)橋的網(wǎng)橋ID，習(xí)慣寫成Root ID。其包括兩部分：字節(jié)的priority（根優(yōu)先級(jí)）和6字節(jié)的MAC Address （根端口IP地址）組成。

  （6）Root Path Cost：路徑開銷，長(zhǎng)度為4字節(jié)，用于表示從交換機(jī)到達(dá)根網(wǎng)橋方向STP開銷的疊加。如果交換機(jī)自己就是根網(wǎng)橋，其值為0。

  （7）Bridge Identifier：網(wǎng)橋ID，長(zhǎng)度為8字節(jié)，用于轉(zhuǎn)發(fā)根網(wǎng)橋BPDU的網(wǎng)橋的ID，習(xí)慣寫成Bridge ID。Bridge ID 包括兩部分：Priority（交換機(jī)自己的優(yōu)先級(jí)），MAC Addresss（交換機(jī)自己的MAC地址）其中，Priority 數(shù)值范圍為0~61440，默認(rèn)值為0x8000，即十進(jìn)制的32768；在設(shè)定時(shí)，其值只能為"0"或"4096"的倍數(shù)，故共16個(gè)。

  （8）Port Identifier：端口ID，長(zhǎng)度為2字節(jié)，用于轉(zhuǎn)發(fā)根網(wǎng)橋BPDU的網(wǎng)橋的端口ID，習(xí)慣寫為Port ID。Port ID由1字節(jié)的端口優(yōu)先級(jí)和1字節(jié)的端口ID組成。端口優(yōu)先級(jí)的范圍為0~240，默認(rèn)值為128，在設(shè)定時(shí)，其值必須是"0"或"16"的倍數(shù)，總共16個(gè)。

  （9）Message Age ：消息老化時(shí)間，長(zhǎng)度為2字節(jié)。

  （10）Max Age：最大壽命，長(zhǎng)度為2字節(jié)，用于記錄對(duì)方有效BPDU消息的最長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)一段時(shí)間未收到任何BPDU，生成期到達(dá)Max Age時(shí)，網(wǎng)橋認(rèn)為該端口連接的鏈路發(fā)生故障，默認(rèn)20秒。

  （11）Hello Time：長(zhǎng)度為2字節(jié)，用于根橋定期發(fā)送BPDU的時(shí)間間隔，默認(rèn)2秒。

  （12）Forward Delay：指轉(zhuǎn)發(fā)延遲，長(zhǎng)度為2字節(jié)，通常是指網(wǎng)橋端口由網(wǎng)橋監(jiān)聽與學(xué)習(xí)狀態(tài)改變的時(shí)間間隔，默認(rèn)為15秒。

    STP為解決環(huán)路和重復(fù)幀問題，會(huì)通過生成樹算法（STA）堵塞可能導(dǎo)致環(huán)路的冗余路徑（邏輯堵塞），這些物理路徑仍然實(shí)際存在，一旦需要啟用此類路徑來抵消網(wǎng)絡(luò)電纜和交換機(jī)故障的影響時(shí)，STP會(huì)重新計(jì)算路徑，將必要的端口解除堵塞，使冗余路徑進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)。

    生成樹形成方法如下：

    (1)決定根交換機(jī)（根的上端口都是根端口）

• 所有交換機(jī)首先會(huì)認(rèn)為自己是根。

• 全網(wǎng)選取Bridge ID 最小的交換機(jī)為根交換機(jī)。

• 每個(gè)交換機(jī)唯一的橋ID由交換機(jī)優(yōu)先級(jí)和MAC地址組合而成。

• 交換機(jī)優(yōu)先級(jí)和Mac地址越小，則Bridge ID越小。

• 默認(rèn)優(yōu)先級(jí)為32678。

•  

（2）決定根端口

• 比較Root Path Cost（路徑開銷是到根橋的路徑上所有端口的開銷總和，其計(jì)算方法是從根交換機(jī)進(jìn)入到拓?fù)渲衅渌粨Q機(jī)的過程中，端口開銷的累加。路徑開銷最低的會(huì)成為首選路徑，所有其他冗余路徑都會(huì)被阻塞。

• 比較相鄰交換機(jī)的Bridge ID。

• 比較本地Port ID。

• 比較交換機(jī)端口的物理編號(hào)（如F0/1或G0/1等）。

    開銷->對(duì)端BID->對(duì)端PID->本端PID

    (3)決定指定交換機(jī)

    (4)決定指定端口

    指定交換機(jī)和LAN相連的端口稱為指定端口；除根端口之外，可以在網(wǎng)絡(luò)中獲準(zhǔn)轉(zhuǎn)發(fā)流量的所有端口，都指的是指定端口。交換機(jī)確定哪臺(tái)交換機(jī)上的哪個(gè)端口作為特定LAN網(wǎng)段的特定端口時(shí)所采用的步驟如下：

• 使用網(wǎng)段上具有到達(dá)根交換機(jī)的最低累加路徑成本的已連接交換機(jī)。

• 如果兩臺(tái)交換機(jī)之間的累加路徑成本相同，那么將選擇具有最低交換機(jī)ID的交換機(jī)

• 如果碰巧是相同的交換機(jī)，但有兩個(gè)到達(dá)LAN網(wǎng)段單獨(dú)連接，那么將選擇具有最低優(yōu)先級(jí)的交換機(jī)端口。

• 如果交換機(jī)上端口的優(yōu)先級(jí)仍然相同，那么選擇該交換機(jī)上具有最低物理編號(hào)的端口。

• 根交換機(jī)上每個(gè)活動(dòng)端口都是指定端口

    (5)決定非指定端口

    除了根端口和指定端口之外所有端口都被稱為未指定端口，其是被堵塞的交換機(jī)端口，不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，也不會(huì)使用源地址填充MAC地址。

    (6)確定端口狀態(tài)

    運(yùn)行生成樹協(xié)議的交換機(jī)端口具有4種狀態(tài)：轉(zhuǎn)發(fā)，學(xué)習(xí)，監(jiān)聽和堵塞，并且總處于四種狀態(tài)之一。

    （1）堵塞：接收BPDU，不學(xué)習(xí)MAC地址，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，所有端口為堵塞狀態(tài)，由交換機(jī)決定哪個(gè)端口轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

    （2）監(jiān)聽：接收BPDU，不學(xué)習(xí)MAC地址，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)向其他交換機(jī)通告此端口，參與選舉根端口和指定端口，這種狀態(tài)屬于臨時(shí)狀態(tài)。

    （3）學(xué)習(xí)：接收BPDU，學(xué)習(xí)MAC地址，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，這種狀態(tài)屬于臨時(shí)狀態(tài)。

    （4）轉(zhuǎn)發(fā)：可以正常的傳送和接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀。

確定完根端口和指定端口后進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，其它冗余非指定端口設(shè)為堵塞狀態(tài)，這樣一個(gè)生成樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也就產(chǎn)生了。

 好了，以上內(nèi)容就是海翎光電關(guān)于交換機(jī)的冗余鏈路管理這個(gè)問題的相關(guān)詳細(xì)介紹，希望能對(duì)大家有所幫助！