一種非令牌的環(huán)網(wǎng)中一跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法*

冉茂琪，李 文，張 益，王建兵，馮玖江，邢 川

（1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030；2.中國人民解放軍軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100141）

0 引言

令牌在環(huán)網(wǎng)中沿著環(huán)網(wǎng)的總線，在環(huán)網(wǎng)上的各個節(jié)點間依次傳遞。令牌自身不含有業(yè)務(wù)消息，只是為了控制環(huán)網(wǎng)信道的使用，即保證在某個時刻，僅有一個節(jié)點能夠使用當(dāng)前信道。當(dāng)環(huán)網(wǎng)上節(jié)點處于空閑狀態(tài)時，令牌繼續(xù)沿著環(huán)網(wǎng)傳遞。環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前必須取得令牌，所以不會造成碰撞。又因令牌在環(huán)網(wǎng)上是按一定順序依次傳遞的，因此對所有環(huán)網(wǎng)中的節(jié)點而言，訪問權(quán)是公平的。

根據(jù)令牌環(huán)網(wǎng)的特性可以發(fā)現(xiàn)，在某一時刻，環(huán)網(wǎng)中只有一個節(jié)點能夠使用信道，因此采用令牌無法充分使用信道資源[5]，并且還需要不斷維護令牌[6]，一旦令牌控制異常，整個環(huán)網(wǎng)通信將會出現(xiàn)異常。

若為提高信道利用率而取消令牌機制，則當(dāng)環(huán)網(wǎng)節(jié)點采用2 層交換通信，交換機的2 層接口收到廣播報文時，會在其廣播域內(nèi)向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)[7]，在環(huán)網(wǎng)拓撲中，數(shù)據(jù)包將會被不斷復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)，直至網(wǎng)絡(luò)癱瘓；若采用3 層交換通信[8]，由于生存時間（Time To Live，TTL）字段緣故（IPv4 包的第9個字節(jié)的TTL 字段取值范圍為0～255，該字段表示網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）數(shù)據(jù)包在計算機網(wǎng)絡(luò)中可以轉(zhuǎn)發(fā)的最大跳數(shù)，即最大跳數(shù)為255跳），IP 報文每通過一個節(jié)點進行3 層轉(zhuǎn)發(fā)后，TTL 值將會減少1，直至到達目的地，若在到達目的地之前，TTL 已耗盡（值為0），則數(shù)據(jù)包將不會被繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)[9]，因此使得計算機網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)受到一定的限制。

綜上所述，在環(huán)網(wǎng)通信中，亟需一種實現(xiàn)方法來減少維護令牌資源的成本，并提高環(huán)網(wǎng)通信信道利用效率，同時還需要該方法能防止環(huán)網(wǎng)廣播風(fēng)暴，解決TTL 對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓撲的限制等問題。

本文針對上述問題，提出一種非令牌的環(huán)網(wǎng)中一跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的解決方法[10]，并在實際應(yīng)用中得以實施和驗證。所提方法可以為有類似功能需求的讀者提供一種可參考的解決思路。

1 非令牌環(huán)網(wǎng)的構(gòu)建

1.1 物理鏈路層的搭建

根據(jù)不同的使用場景，環(huán)網(wǎng)拓撲會有多種結(jié)構(gòu)[11-12]，會出現(xiàn)單環(huán)模型與多環(huán)模型之分[13]，但其中核心的環(huán)網(wǎng)拓撲可抽象為圖1。

本文旨在通過對經(jīng)權(quán)思想的歷史嬗變之梳理，對經(jīng)權(quán)思想內(nèi)涵的挖掘，冀望對翻譯理論的研究與實踐提供某種嘗試與探索。

圖1 中各節(jié)點可表示交換機節(jié)點或其他功能等同的設(shè)備，互聯(lián)鏈路為有線鏈路，節(jié)點1 的port2口與節(jié)點2 相連，節(jié)點2 與節(jié)點3 相連，以此類推，直到節(jié)點n與節(jié)點1 的port1 相連，即節(jié)點1 至節(jié)點n分別與其相鄰節(jié)點進行互聯(lián)形成環(huán)網(wǎng)[14]。

需要說明的是，互聯(lián)鏈路并非一定是如圖1 所示的單鏈路，也可以是具有冗余備份的連接鏈路，即可以是等價為單鏈路的一組連接鏈路，如聚合鏈路。

1.2 非令牌環(huán)網(wǎng)設(shè)計流程

非令牌環(huán)網(wǎng)則是在環(huán)網(wǎng)架構(gòu)下，不使用令牌機制，而使用其他方法來實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)中各節(jié)點間的通信功能。為此，設(shè)計出非令牌環(huán)網(wǎng)軟件的基本實現(xiàn)流程，如圖2 所示。

采用非令牌通信機制進行節(jié)點間通信，首先要對環(huán)網(wǎng)各節(jié)點上互聯(lián)端口進行相應(yīng)參數(shù)配置；其次在節(jié)點上使用多生成樹協(xié)議（Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP）消除通信環(huán)路、防止廣播風(fēng)暴，同時還要采用策略控制捕獲預(yù)設(shè)類型的協(xié)議報文，進行識別處理；最后采用2 層通信與所述策略控制相結(jié)合的方法，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)中節(jié)點間通信數(shù)據(jù)一跳到達。

2 環(huán)網(wǎng)節(jié)點配置

2.1 節(jié)點端口PVLAN 配置

為解決IP 報文轉(zhuǎn)發(fā)受TTL 限制的問題，采用2 層轉(zhuǎn)發(fā)方法，實現(xiàn)一跳轉(zhuǎn)發(fā)。

以圖1 環(huán)網(wǎng)中節(jié)點1 為例，采用基于端口的虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）配置方式來配置節(jié)點1 的port1 與port2。設(shè)置port1 與port2 為ACCESS 類型，ACCESS 類型下的端口只能屬于1 個VLAN，該VLAN 通常被稱為端口的私有VLAN（Private VLAN，PVLAN），并且配置port1與port2 的PVLAN 值相等。

環(huán)網(wǎng)中其他節(jié)點的端口配置可參照節(jié)點1，不同節(jié)點上的PVLAN 值可以不相同。

2.2 MSTP 配置

MSTP 主要用于解決以太網(wǎng)環(huán)路問題，防止形成通信環(huán)路，實現(xiàn)鏈路冗余備份。

MSTP 兼容快速生成樹協(xié)議（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）和生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP），具有收斂快、多實例等特點，因此以圖1 中環(huán)網(wǎng)的節(jié)點1 為例，對節(jié)點1 的port1、port2 啟用MSTP 協(xié)議[1]，其他節(jié)點端口配置MSTP的方法與之相同。

2.3 策略控制

環(huán)網(wǎng)中節(jié)點與節(jié)點之間的通信存在協(xié)議交互，例如鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議、路由協(xié)議、節(jié)點控制協(xié)議等協(xié)議報文，往往包含組播通信、廣播通信，而部分協(xié)議又只需要與相鄰節(jié)點進行通信，而不需要與遠端節(jié)點通信。由于在本方法設(shè)計中，主體通信方法采用的是2 層轉(zhuǎn)發(fā)通信，在數(shù)據(jù)包是組播、廣播的情況下，將會從一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至環(huán)網(wǎng)中的多個節(jié)點，因此需要將這類報文識別出來，進行重定向處理，對于不符合通信業(yè)務(wù)需求的報文設(shè)置為丟棄，防止其通過二層轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送至下一節(jié)點。

網(wǎng)絡(luò)通信中的交換設(shè)備，通常有對數(shù)據(jù)報文進行策略控制的模塊，其主要實現(xiàn)流程為截獲數(shù)據(jù)報文，識別特定字段，執(zhí)行動作。執(zhí)行動作又主要有重定向、丟棄、修改報文數(shù)據(jù)等。策略控制主要用于對符合識別條件的數(shù)據(jù)報文進行特殊處理，以此來滿足對應(yīng)的功能需求。

策略控制處理流程如圖3 所示，對捕獲的報文進行識別匹配，若匹配成功則執(zhí)行相應(yīng)動作（重定向或丟棄或其他）；若匹配失敗，則不對該報文進行特殊處理，依據(jù)其原有處理規(guī)則進行處理。

3 實驗測試

3.1 實驗環(huán)境搭建

由于真實實驗環(huán)境中，不可能存在無限多個節(jié)點，因此實驗測試主要采用有限個節(jié)點組成環(huán)網(wǎng)，旨在驗證本文所提出的方法的可行性。

如圖4 所示，搭建具有6 個節(jié)點的環(huán)網(wǎng)，節(jié)點間采用光纖接口相連，并為各節(jié)點配置IP 地址，其中節(jié)點2 具有雙IP 地址，其目的是驗證節(jié)點之間的IP 地址即使在不同網(wǎng)段，也能實現(xiàn)通信。同時按照前文所述，配置相應(yīng)端口參數(shù)、路由協(xié)議、自定義協(xié)議、MSTP 功能、策略控制等。

圖4 實驗測試環(huán)境拓撲

3.2 MSTP 狀態(tài)查詢

完成拓撲搭建后，為保證通信環(huán)路未成環(huán)，查詢各個節(jié)點中的MSTP 狀態(tài)。圖5 為節(jié)點1 至節(jié)點5 的端口狀態(tài)，均為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)（forwarding，F(xiàn)WD）。圖6 為節(jié)點6 的端口狀態(tài)，其中節(jié)點6 的port1 為阻塞狀態(tài)（blocking，BLK）。

圖5 節(jié)點1 至節(jié)點5 的端口狀態(tài)

圖6 節(jié)點6 的端口狀態(tài)

結(jié)合各節(jié)點中的MSTP 狀態(tài)，可將環(huán)路的通信拓撲等效為圖7，節(jié)點1 至節(jié)點6 依次連接，而節(jié)點1 與節(jié)點6 之間為斷開狀態(tài)。

圖7 MSTP 狀態(tài)下的等效通信拓撲

3.3 路由狀態(tài)查詢

節(jié)點間已配置相應(yīng)路由參數(shù)與策略控制，因此使得節(jié)點所需的自定義協(xié)議報文、路由報文等，可以只轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點，而不轉(zhuǎn)發(fā)給遠端節(jié)點，從而減少協(xié)議報文對環(huán)網(wǎng)資源的占用。

以節(jié)點1 為例，查看節(jié)點1 路由信息如圖8 所示。對于節(jié)點1 而言，發(fā)往其他節(jié)點的業(yè)務(wù)消息，其出接口均為節(jié)點2，從物理接口上看即是以太網(wǎng)光口3，符合預(yù)期設(shè)置。

圖8 節(jié)點1 的路由表

3.4 節(jié)點通信測試

為測試圖4 中實驗環(huán)境的通信情況，使用節(jié)點1（IP 為111.0.0.1）與節(jié)點6（IP 為116.0.0.1）進行ping 包測試，測試結(jié)果如圖9 所示，可以看出，節(jié)點1 與節(jié)點6 能實現(xiàn)正常通信。

圖9 節(jié)點1 與節(jié)點6 通信的鏡像數(shù)據(jù)

3.5 實驗總結(jié)

根據(jù)上述實驗與理論相結(jié)合，可得出本文所提出方法能達到預(yù)期效果，其中主要的驗證點如表1所示，可以看出，所提方法達到了全部期望。

表1 驗證點與期望結(jié)果

4 結(jié)語

針對環(huán)網(wǎng)通信中存在的環(huán)路問題，所提方法使用MSTP 協(xié)議，在非令牌通信機制的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，進行消除通信環(huán)路，而物理連接上仍然保持原有的環(huán)形拓撲不變。針對部分協(xié)議報文會在同VLAN 下所有接口進行轉(zhuǎn)發(fā)的問題，所提方法采用策略控制，對特定的組播報文、廣播報文進行識別、處理，使其不從環(huán)網(wǎng)中的端口轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點，處理動作主要為丟棄或重定向至其他接口。此外，針對轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)受TTL 限制的問題，所提方法采用2 層轉(zhuǎn)發(fā)而非3 層轉(zhuǎn)發(fā)，可以使環(huán)形拓撲中任一節(jié)點發(fā)送IP 報文，實現(xiàn)一跳轉(zhuǎn)發(fā)，進而可以增加通信節(jié)點數(shù)量。該方法目前已應(yīng)用到實際項目中，并在真實應(yīng)用環(huán)境中驗證了其有效性。