（泉州市第一醫(yī)院 福建 362000）

現(xiàn)在的交換機(jī)使用的是共享總線(xiàn)以太網(wǎng)，它是現(xiàn)階段局域網(wǎng)中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)，不僅可以交換速率，還可增加鏈路帶寬。但是，當(dāng)單一鏈路出現(xiàn)故障問(wèn)題，那么就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。盡管冗余鏈路可以有效地解決單一鏈路引起的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，但是其也會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，如重復(fù)幀等問(wèn)題。

1 二層交換技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈路層，就是第二層交換技術(shù)，它在OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層，通過(guò)學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)MAC地址，所以對(duì)于高層來(lái)講，它是透明可見(jiàn)的。而且它也只處理除了網(wǎng)絡(luò)層的IP地址和高層協(xié)議的端口地址，如TCP 等之外的MAC 物理地址，并通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，有著非?？斓奶幚硭俣?。

1.1 交換機(jī)的工作原理

交換機(jī)的學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)是二層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵進(jìn)程。在學(xué)習(xí)的時(shí)候，交換機(jī)可以按照數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址在其表中建立端口映射。在轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中，按照幀的目的MAC地址對(duì)其轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)交換機(jī)接收某個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)候，交換機(jī)在其表中查找的數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，一旦交換機(jī)具備此地址，那么數(shù)據(jù)幀就會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到MAC對(duì)應(yīng)端口，反之就會(huì)泛洪到除了對(duì)應(yīng)端口的其他端口。

1.2 交換機(jī)的工作步驟

二層交換機(jī)分為4個(gè)工作步驟：

（1）當(dāng)交換機(jī)接收到某個(gè)端口數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先它會(huì)讀取數(shù)據(jù)包中的源MAC地址，并快速了解源MAC地址的連接端口；

（2）然后，讀取數(shù)據(jù)包中的目的MAC地址，并查找其對(duì)應(yīng)的端口；

（3）如果數(shù)據(jù)表中存在于數(shù)據(jù)包目的MAC地址相對(duì)應(yīng)的端口，那么就可以將數(shù)據(jù)包復(fù)制到此端口；

（4）如果在表中找不到相對(duì)應(yīng)的端口，那么就要將廣播發(fā)送到其他端口，當(dāng)目的PC 回應(yīng)源PC的時(shí)候，叫歡迎就可以學(xué)習(xí)到目的PC和源PC對(duì)應(yīng)的端口，從而簡(jiǎn)化下一次的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。

當(dāng)交換機(jī)中有數(shù)據(jù)包通過(guò)，那么其就會(huì)不斷循環(huán)此過(guò)程，并學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)MAC地址，從而建立和維護(hù)自己的MAC地址表。

2 冗余鏈路分析

在主網(wǎng)絡(luò)中，一般單一鏈路非常好實(shí)現(xiàn)，但是簡(jiǎn)單的故障問(wèn)題也就會(huì)使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷問(wèn)題。因此，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)組建中，需要多交換機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并通過(guò)備份連接，以此提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。備份連接，又稱(chēng)備份鏈路或冗余鏈路。備份鏈路建的交換機(jī)總會(huì)相互連接在一起，并形成環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)冗余。雖然其可以提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠性，但是也會(huì)帶來(lái)新的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

2.1 冗余鏈路的危害

二層交換設(shè)備最重要的功能就是交換機(jī)，它可以將每個(gè)端口接受的數(shù)據(jù)幀的源設(shè)備硬件地址和源設(shè)備的MAC地址記住，并將其寫(xiě)入到MAC地址表中。當(dāng)交換機(jī)的某個(gè)端口接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)候，它就可以查看目的硬件地址，并在地指標(biāo)中查找到外出端口，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以，這就是交換機(jī)交換數(shù)據(jù)的原理。

2.2 MAC地址表不穩(wěn)定引發(fā)廣播風(fēng)暴問(wèn)題

當(dāng)交換機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，MAC地址表并不存在。它是通過(guò)不斷學(xué)習(xí)生成的，且也是動(dòng)態(tài)變化的。在存在冗余鏈路的交換網(wǎng)中，從工作站發(fā)出的數(shù)據(jù)幀會(huì)順著途中的E1和E3 兩條鏈路進(jìn)入交換機(jī)A和B，但是此時(shí)并沒(méi)有形成MAC地址表。而且該數(shù)據(jù)幀會(huì)通過(guò)廣播這一方式將其發(fā)送至交換機(jī)其他端口，并順著交換機(jī)A的E2端口發(fā)送到交換機(jī)B的E4端口，反之，就順著交換機(jī)B的E4端口發(fā)送到A的E2端口，然后在由兩個(gè)交換機(jī)轉(zhuǎn)換，使同一數(shù)據(jù)幀在兩點(diǎn)的環(huán)路內(nèi)不停地被轉(zhuǎn)換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，從而出現(xiàn)廣播風(fēng)暴問(wèn)題。

2.3 重復(fù)幀拷貝

另一方面，當(dāng)工作站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，交換機(jī)需要將其收到的數(shù)據(jù)幀的源MAC地址寫(xiě)進(jìn)MAC地址表，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到該數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)的交換機(jī)，并寫(xiě)入MAC地址表，循環(huán)往復(fù)。當(dāng)交換機(jī)知識(shí)不斷用源MAC地址更新MAC地址表，并不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，這也就會(huì)導(dǎo)致MAC地址系統(tǒng)失效。

由于上述故障問(wèn)題的堆積從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于阻塞狀態(tài)，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

3 生成樹(shù)協(xié)議的分析

為了有效地解決冗余鏈路引發(fā)的MAC地址表不穩(wěn)定、廣播風(fēng)暴、以及重復(fù)幀拷貝等問(wèn)題，生成樹(shù)協(xié)議STP應(yīng)運(yùn)而生。

3.1 STP協(xié)議的基本思想及算法

（1）基本思想

生成樹(shù)協(xié)議的基本思想非常簡(jiǎn)單，大多數(shù)都知道樹(shù)木的生長(zhǎng)是獨(dú)立且不環(huán)路的，如果網(wǎng)絡(luò)可以像樹(shù)木一樣生長(zhǎng)，那么就不會(huì)出現(xiàn)環(huán)路這一問(wèn)題。所以，生成樹(shù)協(xié)議的根本目的就是使存在物理環(huán)路的交換網(wǎng)絡(luò)變成沒(méi)有環(huán)路的邏輯樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，從而剪裁多余的冗余環(huán)路，并保證鏈路備份和路徑的最優(yōu)化。

（2）算法

生成樹(shù)算法，可以有效地管理鏈路。具體就是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路，就在邏輯上主動(dòng)阻斷一個(gè)或者多個(gè)冗余端口，以使接入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)通訊的時(shí)候只有一條鏈路有效，STP 持續(xù)地探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，一旦鏈路出現(xiàn)故障或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化的時(shí)候，那么生成樹(shù)協(xié)議就會(huì)重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，并配置端口。這樣不僅可以使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，還可使其的冗余能力得到保障。

3.2 生成樹(shù)協(xié)議的弊端和增強(qiáng)技術(shù)

（1）生成樹(shù)協(xié)議的弊端

生成樹(shù)協(xié)議算法是廣泛應(yīng)用于二層以太網(wǎng)的收斂和治愈，但是由于它是局域網(wǎng)新開(kāi)發(fā)的技術(shù)，所以對(duì)于現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，依舊存在著一些弊端。生成樹(shù)協(xié)議最主要的不足點(diǎn)就是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，端口的阻塞狀態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)和偵聽(tīng)兩個(gè)狀態(tài)，一般需要30-50 秒的時(shí)間延遲，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求的增強(qiáng)，這也就無(wú)法被人們接受。這種網(wǎng)絡(luò)障礙會(huì)帶來(lái)非常大的損失，尤其在一部分關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)中；其次，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)缺少生成樹(shù)的理論概念，這也就使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖內(nèi)菀滓鹑植▌?dòng)；最后，缺少VIAN 環(huán)境的支持，沒(méi)有闡明一個(gè)或者多個(gè)VIAN存在的生成樹(shù)協(xié)議算法，從而導(dǎo)致雙光纖鏈路資源無(wú)法得到全部的有效利用。

（2）快速生成樹(shù)協(xié)議

快速生成樹(shù)協(xié)議，即在生成樹(shù)協(xié)議的基礎(chǔ)發(fā)展而產(chǎn)生的。它不僅可以完成生成樹(shù)協(xié)議的所有功能，還可在物理拓?fù)浠蛘吲渲脜?shù)出現(xiàn)變化的時(shí)候，顯著縮短網(wǎng)絡(luò)的重新收斂時(shí)間，降低端口阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)的延長(zhǎng)時(shí)間。

（3）多生成樹(shù)協(xié)議

多生成樹(shù)協(xié)議，目前依舊在不斷優(yōu)化，現(xiàn)階段只能從草案版中獲取，現(xiàn)已有制造商在產(chǎn)品中增加了對(duì)它的支持。所謂實(shí)際案例就是將多個(gè)VIAN 集合，并通過(guò)多個(gè)VIAN 捆綁到一個(gè)實(shí)例中，省去通信開(kāi)銷(xiāo)和資源占用率。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)的VIAN 需要和實(shí)際案例映射關(guān)系保持一致，不然就會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，為了檢測(cè)以上錯(cuò)誤，多生成協(xié)議除了需要攜帶實(shí)例號(hào)之外，還要攜帶與VIAN相對(duì)應(yīng)的信息。

4 結(jié)論

綜上所述，任何技術(shù)的發(fā)展都不會(huì)因當(dāng)前的某種理想技術(shù)的出現(xiàn)而停止研究，生成樹(shù)協(xié)議的發(fā)展就足以說(shuō)明這一點(diǎn)。而且隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐漸增多，各種新的二層隧道技術(shù)不斷出現(xiàn)，這也就需要用戶(hù)和服務(wù)提供商共同努力，探索解決交換機(jī)冗余鏈路問(wèn)題的辦法，以保障人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)各方面的需求，如網(wǎng)速、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等。