NOVA場監(jiān)網(wǎng)絡(luò)中STP自愈功能的實現(xiàn)

區(qū)志廣/民航中南空管局

NOVA場監(jiān)網(wǎng)絡(luò)中STP自愈功能的實現(xiàn)

區(qū)志廣/民航中南空管局

N O VA場監(jiān)系統(tǒng)組網(wǎng)所使用的CSICO 3560型智能交換機，其本身自帶光模塊和網(wǎng)絡(luò)堆疊功能，按網(wǎng)路實現(xiàn)構(gòu)建成了一個多交換機的層疊環(huán)路結(jié)構(gòu)，通過STP機制，實現(xiàn)網(wǎng)路冗余故障自愈。

N O VA；場面監(jiān)視；STP；廣播風(fēng)暴

引言

Indra公司的NOVA場面雷達監(jiān)視系統(tǒng)（以下簡稱場監(jiān)系統(tǒng)）是目前國內(nèi)大型機場中最為常見的場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)之一。機場塔臺管制員負責(zé)機場內(nèi)跑道、滑行道、停機坪上飛機和車輛的統(tǒng)一交通管制。場監(jiān)系統(tǒng)為其管制工作提供了重要的自動化保障。由于現(xiàn)代管制工作對自動化設(shè)備的依賴性不斷增加，一旦系統(tǒng)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)突發(fā)重大故障，如果無法在極短時間排障恢復(fù)，將會造成航班流控，甚至極易引發(fā)空管安全事件。

1 .場監(jiān)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點

NOVA9000場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)向地面管制員提供以場面運動雷達SMR為中心15000英尺為半徑的范圍內(nèi)的全天時，全天候的目標定位和識別信息。系統(tǒng)能在雷達能掃描到的有效范圍內(nèi)探測和跟蹤定位諸如飛機和汽車之類的目標并加以區(qū)分和引導(dǎo)。

整個系統(tǒng)的局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計為雙網(wǎng)總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配備冗余雙服務(wù)器這一硬件設(shè)計使得任何單一節(jié)點的失效都不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命故障情況。多個子系統(tǒng)服務(wù)器，如TECAMS、SDS、RPS、CWP，都配備了雙網(wǎng)口，通過雙絞線分別連接至雙局域網(wǎng)交換機。為了確保某一單元數(shù)據(jù)不會在主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生環(huán)路的情況，必要的時候交換機可以激活“生成樹”機制運作。

2.STP生成樹技術(shù)原理

STP，即Spanning Tree Protocol，網(wǎng)絡(luò)生成樹協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)專用協(xié)議的基本原理是，在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中通過一定的算法實現(xiàn)路徑冗余，同時將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)，從而避免報文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無限循環(huán)。STP通過在交換機之間傳遞一種特殊的協(xié)議報文來確定網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。配置消息中包含了足夠的信息來保證交換機完成生成樹計算。該協(xié)議在IEEE802.1D文檔中被定義為按照樹的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓撲，以消除網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，避免由以太網(wǎng)環(huán)路而引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)問題。

STP的基本思想就是生成“一棵樹”，樹的根是一個稱為根橋的交換機，根據(jù)設(shè)置不同，不同的交換機會被選為根橋，但任意時刻只能有一個根橋。由根橋開始，逐級形成一棵樹，根橋定時發(fā)送配置報文，非根橋接收配置報文并轉(zhuǎn)發(fā)，如果某臺交換機能夠從兩個以上的端口接收到配置報文，則說明從該交換機到根有不止一條路徑，便構(gòu)成了循環(huán)回路，此時交換機根據(jù)端口的配置選出一個端口并把其他的端口阻塞，以消除循環(huán)。當某個端口長時間不能接收到配置報文時，交換機認為端口的配置超時，網(wǎng)絡(luò)拓撲可能已經(jīng)改變，此時重新計算網(wǎng)絡(luò)拓撲，重新生成一棵樹。

圖1　

在二層網(wǎng)絡(luò)鏈路中，一臺節(jié)點交換機出現(xiàn)故障有可能會影響整個網(wǎng)絡(luò)的使用。為了避免存在單點故障，在實際的二層鏈路中會采用鏈路冗余，也就是采用交換設(shè)備之間多條聯(lián)絡(luò)連接，即多臺交換機之間都有連接，這樣即使一臺故障了，也可以通過其他節(jié)點通信，這就是鏈路冗余。但是又會隨之產(chǎn)生非常致命的網(wǎng)絡(luò)問題。因為各個交換機設(shè)備之間都有鏈路連接，數(shù)據(jù)報到達目的主機的路線會增多，從而使數(shù)據(jù)報在交換機之間不斷被轉(zhuǎn)發(fā)，最終形成一個環(huán)路。多鏈路形成環(huán)路造成的致命危害有：

1. 形成廣播風(fēng)暴： 數(shù)據(jù)報在環(huán)路上不斷地被廣播轉(zhuǎn)發(fā)形成廣播風(fēng)暴。

2. 多重復(fù)幀復(fù)制： 交換機在接受到不確定單播幀時，將執(zhí)行泛洪操作，即在環(huán)路中一個單播幀在傳輸中被復(fù)制成為多個復(fù)本。

3. MAC地址表不穩(wěn)定： 如果交換機在不同的端口收到同一個幀，MAC數(shù)據(jù)庫會混亂。

以上三種情況不論是哪一種，都將會使二層網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生崩潰。而STP生成樹協(xié)議的作用就是可使以上問題迎刃而解。STP協(xié)議是二層鏈路上的協(xié)議，生成樹機制可以使冗余鏈路中的環(huán)路循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)得以自動終止。這種網(wǎng)絡(luò)保護技術(shù)，可以消除由于失誤或者意外帶來的網(wǎng)路循環(huán)連接，有效避免了局域網(wǎng)中的單點故障和網(wǎng)絡(luò)回環(huán)后所造成環(huán)危害。

生成樹協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展而不斷更新?lián)Q代,發(fā)展到現(xiàn)在共有三代： 第一代 STP/RSTP ； 第二代PVST/PVST+（思科特有）； 第三代 MTSTP/MSTP。

3.STP生成樹機制在場監(jiān)系統(tǒng)中的運用

在白云機場塔臺目前在用的NOVA場監(jiān)系統(tǒng)上組網(wǎng)所使用的是CSICO（思科）3560型智能交換機，其本身自帶光模塊和網(wǎng)絡(luò)堆疊功能，按網(wǎng)路實現(xiàn)構(gòu)建成了一個多交換機的層疊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一定程度上網(wǎng)路冗余。

堆疊后堆疊思科3560在同一個端口收發(fā)分別上行和下行，最終形成了一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了環(huán)內(nèi)缺失節(jié)點后的網(wǎng)絡(luò)自愈。任何兩臺成員交換機之間的數(shù)據(jù)交換都需繞環(huán)一周，經(jīng)過所有交換機的交換端口。使用兩個高速光端口實施菊花鏈式堆疊，選擇實現(xiàn)了環(huán)形的冗余。在正常情況下，任何時刻下菊花鏈式結(jié)構(gòu)環(huán)路中的某一從交換機到達主交換機只能通過一個高速端口進行，即一個高速端口不能分擔(dān)本交換機的上行數(shù)據(jù)壓力，需要通過所有上游交換機來進行交換。

為克服該種鏈路冗余級聯(lián)方案帶來的網(wǎng)路環(huán)路的影響，在網(wǎng)絡(luò)上必須依靠交換機的STP功能來進行抑制。在生成樹協(xié)議生效后，假如出現(xiàn)端口之間的物理環(huán)路，則只有一個端口是指定端口，另一個端口被置于阻塞狀態(tài)。處于阻塞狀態(tài)的端口不能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀，從而避免了自環(huán)所帶來的問題。而當場監(jiān)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，環(huán)路被打破時，始終還有一個端口處于解除阻塞的狀態(tài)，保持發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀，保證場監(jiān)信號的正常傳輸。生成樹協(xié)議令網(wǎng)絡(luò)中一臺交換機為節(jié)點生成一棵轉(zhuǎn)發(fā)樹，而樹是沒有環(huán)路的，這樣所有的數(shù)據(jù)都只在這棵樹所指示的路徑上傳輸，就不會產(chǎn)生環(huán)路網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險。

4.結(jié)束語

本文對STP技術(shù)原理和場監(jiān)系統(tǒng)的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了詳細技術(shù)分析。全面論述了STP協(xié)議在該系統(tǒng)中對保持冗余和控制環(huán)路起的重要作用。隨著研究的深入，希望我們?nèi)蘸竽苓@些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更好地應(yīng)用于國產(chǎn)新系統(tǒng)之上，大力對推動我國系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

[1] PARK AIR SYSTEM TECHNICAL AND MAINTENANCE MANUAL- Project No:1002953.

[2] 快速生成樹RSTP詳解 IT技術(shù)之家 201208.