廣州地鐵五號(hào)線SDH以太網(wǎng)生成樹(shù)協(xié)議的探討

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了生成樹(shù)協(xié)議基本概念及算法過(guò)程，同時(shí)闡述以太交換機(jī)的原理，并就生成樹(shù)在廣州地鐵五號(hào)線SDH以太業(yè)務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。生成樹(shù)協(xié)議有效的抑制廣播風(fēng)暴，使五號(hào)線SDH以太業(yè)務(wù)更加穩(wěn)定，可靠性、安全性大大增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：生成樹(shù)；SDH；以太網(wǎng)；交換機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273.5

在二層交換設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)中，為保證可靠性，有必要設(shè)置迂回路由，但易形成廣播風(fēng)暴。為避免廣播風(fēng)暴，使設(shè)置了迂回路由的二層交換網(wǎng)絡(luò)能正常工作，就有必要對(duì)路徑進(jìn)行“修剪”（Prunning），斷開(kāi)迂回，使數(shù)據(jù)不能沿著迂回路由回到發(fā)送設(shè)備，而在正常通信路徑出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)又能自動(dòng)倒換至迂回路徑上通信，具備這種功能的技術(shù)就是Spanning Tree，其協(xié)議就是STP（Spanning-Tree Protocol）。

在廣州地鐵五號(hào)線SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)中，由于OA、AFC、CCTV、各網(wǎng)管信息等業(yè)務(wù)的通道拓?fù)涓髯远际且粋€(gè)獨(dú)立的環(huán)，具備迂回路徑，為使數(shù)據(jù)能正確傳送，必須在傳輸設(shè)備上配置STP。當(dāng)前在傳輸設(shè)備設(shè)置的STP是基于802.1Q的PVSTP（PerVlan STP）。

1 生成樹(shù)協(xié)議介紹

在以太網(wǎng)中，通常會(huì)設(shè)多個(gè)交換設(shè)備，并在交換設(shè)備之間建立多個(gè)連接來(lái)提供鏈路的冗余性，但是這有可能是網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生環(huán)路。要在提供冗余的同時(shí)防止產(chǎn)生環(huán)路，我們可以使用生成樹(shù)協(xié)議來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

生成樹(shù)協(xié)議是由Sun微系統(tǒng)公司著名工程師拉迪亞·珀?duì)柭┦浚≧adia Perlman）發(fā)明的[1]。STP能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械沫h(huán)路，保留一條最佳鏈路做轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，塞其他冗余鏈路，并且在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下重新計(jì)算，保證所有網(wǎng)段的可達(dá)且無(wú)環(huán)路。

1.1 生成樹(shù)的算法過(guò)程

生成樹(shù)協(xié)議的算法過(guò)程可以歸納為三個(gè)步驟：選擇根網(wǎng)橋、選擇根端口、選擇指定端口。

（1）選擇根橋。在二層網(wǎng)絡(luò)中比較網(wǎng)橋的橋ID值，值最小的網(wǎng)橋被選為根橋；（2）選擇根端口。就是在每個(gè)非根橋上選擇根端口。首先，比較根路徑開(kāi)銷，根路徑開(kāi)銷取決于鏈路的帶寬，帶寬越大，路徑成本越低，路徑開(kāi)銷最低者為根端口。其次，如果根路徑開(kāi)銷相同，則要比較所在對(duì)端交換機(jī)橋ID值，值最小者為根端口。最后，如果兩端口交換機(jī)橋ID值相同，則比較端口的ID值，值最小的被選為根端口；（3）選擇指定端口。在每條鏈路上選擇一個(gè)指定端口，而根橋上所有端口都是指定端口。選擇指定端口的順序如下，首先比較根路徑開(kāi)銷，其次比較端口所在網(wǎng)橋的ID值，最后比較端口的ID值。

1.2 端口狀態(tài)

交換機(jī)的端口在STP環(huán)境中共有5種狀態(tài)：阻塞、偵聽(tīng)、學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)、關(guān)閉。交換機(jī)上一個(gè)原來(lái)被阻塞掉的端口由于在最大老化時(shí)間（20秒）內(nèi)沒(méi)有收到BPDU，從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閭陕?tīng)狀態(tài)，偵聽(tīng)狀態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲（15秒）到達(dá)學(xué)習(xí)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲（15秒）的MAC地址學(xué)習(xí)過(guò)程后進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。如果轉(zhuǎn)為偵聽(tīng)狀態(tài)后發(fā)現(xiàn)本端口在新的生成樹(shù)中不應(yīng)該由此端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)則直接回到阻塞狀態(tài)。

1.3 收斂時(shí)間

對(duì)于運(yùn)行STP的交換機(jī)來(lái)說(shuō)，收斂狀態(tài)意味著網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定，沒(méi)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，交換機(jī)必須重新計(jì)算生成樹(shù)，在新的生成樹(shù)沒(méi)有完全計(jì)算、生成之前，為了防止臨時(shí)環(huán)路的產(chǎn)生，所有鏈路都不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。從發(fā)現(xiàn)狀態(tài)改變到新的生成樹(shù)計(jì)算完成的這段時(shí)間叫做收斂時(shí)間，通常為50秒左右。

由于標(biāo)準(zhǔn)STP的收斂時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致很多應(yīng)用在切換過(guò)程中受影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了RSTP（IEEE 802.1w）協(xié)議，即快速生成樹(shù)，可以顯著減少收斂時(shí)間。

2 SDH虛擬交換機(jī)介紹

2.1 以太網(wǎng)交換機(jī)原理

以太網(wǎng)交換機(jī)工作于OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層），是一種基于MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問(wèn)控制）地址識(shí)別、完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[2]。

每一臺(tái)交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)適配器的都具有一個(gè)MAC地址，由IEEE注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)分配，每個(gè)MAC地址都是全球唯一的。MAC地址是長(zhǎng)度為48位的二進(jìn)制，前24位是設(shè)備生產(chǎn)廠商標(biāo)識(shí)符，由IEEE負(fù)責(zé)分配，后24位由生產(chǎn)廠商自行分配的序列號(hào)。交換機(jī)在端口上接收用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)幀頭的目的MAC地址查找MAC地址表然后將該數(shù)據(jù)幀從對(duì)應(yīng)端口上轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

以太交換機(jī)的三個(gè)主要功能為：地址學(xué)習(xí)功能、轉(zhuǎn)發(fā)和過(guò)濾功能、環(huán)路避免功能。

（1）地址學(xué)習(xí)功能。當(dāng)物理網(wǎng)段與以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行連接時(shí)，交換機(jī)對(duì)它監(jiān)測(cè)到的所有幀進(jìn)行檢查，讀取幀的源MAC地址字段后與接收端口關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中，并儲(chǔ)存在緩存中；（2）轉(zhuǎn)發(fā)和過(guò)濾功能。當(dāng)從一個(gè)端口接收到數(shù)據(jù)幀后，其目的地址在MAC地址表中有映射時(shí)，它被轉(zhuǎn)發(fā)到MAC地址表中有對(duì)應(yīng)的端口而不是所有端口。如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀，或者目的MAC地址沒(méi)有MAC地址表中時(shí)，則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口；（3）環(huán)路避免功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中包括一個(gè)冗余回路時(shí)，以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)生成樹(shù)協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)故障時(shí)重新計(jì)算路徑，達(dá)到冗余目的。

2.2 SDH虛擬交換機(jī)配置模型

在SDH傳輸設(shè)備上配置的二層交換機(jī)稱作虛擬交換機(jī)（Visual Bridge，縮寫VB），一塊以太網(wǎng)板可以配置多個(gè)虛擬交換機(jī)。在五號(hào)線SDH中，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)共享環(huán)的中間節(jié)點(diǎn)，一個(gè)虛擬交換機(jī)配置兩個(gè)物理以太網(wǎng)端口及二個(gè)系統(tǒng)端口，在末端節(jié)點(diǎn)處（如綜合樓），一個(gè)虛擬交換機(jī)配置兩個(gè)物理以太網(wǎng)端口及一個(gè)系統(tǒng)端口。

以下圖1、圖2是五號(hào)線SDH設(shè)備OA業(yè)務(wù)虛擬交換機(jī)配置模型：

圖1 中間節(jié)點(diǎn)VB 圖2 綜合樓VB

其中1001、1003、1004端口是系統(tǒng)端口（ETHRemPort）。首先，系統(tǒng)自動(dòng)將它們對(duì)應(yīng)著SDH網(wǎng)元中以太板（ISA板）的系統(tǒng)端口（1、2、3、……），如圖1，然后通過(guò)SDH TDM（Time Division Multiplexing）時(shí)隙交叉連接（Corss-connect）連接至光路，1003端口連接至一個(gè)方向的光路，1004端口連接至另一個(gè)方向的光路，這就是以太網(wǎng)業(yè)務(wù)通道之所以能夠形成邏輯環(huán)的原因。同樣地，1001端口連接至光路。

2.3 虛擬交換機(jī)端口狀態(tài)

SDH以太網(wǎng)板上配置的虛擬交換機(jī)，具備物理二層交換機(jī)具備的功能。其端口，不論是系統(tǒng)端口還是本地端口，均可想像成物理交換機(jī)的交換端口，端口狀態(tài)有：阻塞（blocking）、監(jiān)聽(tīng)（listening）、學(xué)習(xí)（learning）、轉(zhuǎn)發(fā)（forwarding）、關(guān)閉（disable），其中監(jiān)聽(tīng)（listening）、學(xué)習(xí)（learning）為過(guò)渡態(tài)，阻塞blocking、轉(zhuǎn)發(fā)forwarding、關(guān)閉（disable）為穩(wěn)定態(tài)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，本地端口及系統(tǒng)端口可能的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 虛擬交換機(jī)端口穩(wěn)定狀態(tài)表

端口類型端口角色

（Port Role）端口工作狀態(tài)功能STP節(jié)點(diǎn)類型備注

本地端口designatedforwarding數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)根節(jié)點(diǎn)/非根節(jié)點(diǎn)/斷點(diǎn)節(jié)點(diǎn)與外設(shè)備相連

disabledisable不工作 沒(méi)有連線或人為將端口down掉

系統(tǒng)端口rootforwarding數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)非根節(jié)點(diǎn)/斷點(diǎn)節(jié)點(diǎn)指向根節(jié)點(diǎn)方向

designatedforwarding數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)根節(jié)點(diǎn)/非根節(jié)點(diǎn)/指向根節(jié)點(diǎn)相反方向

alternateblocking不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包斷點(diǎn)節(jié)點(diǎn)STP斷點(diǎn)

3 生成樹(shù)在SDH中的應(yīng)用

在五號(hào)線SDH傳輸設(shè)備以太網(wǎng)業(yè)務(wù)共享環(huán)中，所有節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)均為缺省值32678（215=32768），所有節(jié)點(diǎn)間連接的路徑開(kāi)銷一樣（均為19，因鏈路帶寬均相同）。因此，MAC最小的節(jié)點(diǎn)將選定為根節(jié)點(diǎn)，離根最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)端口將處于阻塞狀態(tài)。以O(shè)A業(yè)務(wù)為例，綜合樓MAC地址最小，它被選擇為根節(jié)點(diǎn)。五羊邨及大沙地到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的距離一樣最遠(yuǎn)，但因五羊邨MAC地址比大沙地的高，因此位于五羊邨的系統(tǒng)端口1003被選定為STP斷點(diǎn)（即阻塞狀態(tài)）。

生成樹(shù)工作狀態(tài)檢查的內(nèi)容有：各節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)端口的角色及工作狀態(tài)、本地端口的工作狀態(tài)、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)共享環(huán)根節(jié)點(diǎn)和斷點(diǎn)的位置以及它們是否唯一。

4 結(jié)束語(yǔ)

五號(hào)線SDH以太網(wǎng)中開(kāi)啟生成樹(shù)協(xié)議，有效的抑制廣播風(fēng)暴，使網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，可靠性、安全性會(huì)大大增強(qiáng)。而深入了解生成樹(shù)協(xié)議基本概念、認(rèn)識(shí)其算法過(guò)程及收斂時(shí)間等知識(shí)，為更好維護(hù)五號(hào)線SDH以太業(yè)務(wù)穩(wěn)定性和快速判斷故障打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王遠(yuǎn)波.朔黃鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2007.

[2]呂斌.交換機(jī)原理及應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（10）.

作者簡(jiǎn)介：劉偉杰（1987-），男，廣東清遠(yuǎn)人，初級(jí)工程師，本科，主要研究方向：城市軌道交通通信。

作者單位：廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，廣州 510308