兩種生成樹協議分析及其在模擬器中的實驗仿真

李 勇， 相中啟， 楊華芬， 王勝文

(1.曲靖師范學院 信息工程學院，云南 曲靖 655011；2.上饒師范學院 數學與計算機科學學院，江西 上饒 334001；3.六盤水師范學院 數學與信息工程學院, 貴州 六盤水 553004)

0 引 言

在實際網絡組建過程中，為了減少網絡故障，通常會在一些關鍵鏈路上增加備份冗余鏈路，然而備份冗余鏈路的存在卻會產生網環路、引起廣播風暴，極大地消耗了網絡帶寬資源[1-2]。生成樹協議是解決網絡中環路的有效技術手段，在實際網絡組建過程中被廣泛使用，需要學生很好地加以掌握。因此，近年來，生成樹協議受到了廣泛關注，成為實踐教學中的研究重點。文獻[3-6]中分析了生成樹協議的工作原理、介紹了其實驗設計與實現。文獻[7-8]中介紹了使用生成樹協議解決網絡環路的技術方案。文獻[9-10]中討論了生成樹協議在園區網絡設計中的應用。

然而，在傳統的實踐教學過程中，由于實驗室設備、環境等因素的限制，無法很好地開展生成樹協議的實驗教學。為了有效地輔助生成樹協議的實驗教學，加深學生對兩種生成樹協議工作原理的理解、掌握兩種生成樹協議的配置命令，使用思科分組跟蹤器設計網絡結構進行實驗仿真，該模擬器不受設備、環境等因素的限制，學生隨時隨地可以進行實驗仿真、觀察和分析，可有效地鍛煉學生的實踐動手能力和分析問題解決問題的能力[11-12]。

1 生成樹協議

1.1 基本生成樹協議簡介

根據IEEE 802.1d的定義，基本生成樹協議(Spanning-Tree Protocol, STP)是一種網橋嵌套協議，主要用于解決冗余網絡中的廣播風暴問題。其工作原理是，定義一個用于通信的網橋協議數據單元(Bridge Protocol Data Unit, BPDU)，并用BPDU的相關機制來動態選擇根網橋和備份網橋，由于中心網橋到任何網段只有一個路徑存在，達到了消除網絡環路的目的。BPDU在生成樹算法中扮演著重要角色，通過廣播BPDU包，啟用生成樹協議的交換機或網橋可以確定各端口的工作狀態、角色、轉發數據幀的路徑，有關端口的角色分類和狀態轉換詳情可參考文獻[13], BPDU數據包格式如圖1所示。

圖1 BPDU數據包格式

其中，DMA為目的MAC地址；SMA為源MAC地址；L/T為幀長；LLC Header為配置消息固定的鏈路頭；Payload為BPDU數據，主要包括內容有根網橋RootID、從指定網橋到根網橋的最小路徑開銷RootPathCost、指定網橋ID、指定網橋指定端口ID等。

1.2 基本生成樹協議工作原理

基本生成樹協議為實現無環樹網絡的構建，網絡中的橋接設備之間需要不斷的相互轉發BPDU,以便確定應該阻塞哪些接口，從邏輯上斷開哪些冗余備份鏈路。BPDU攜帶有根橋ID、橋優先級、端口優先級、路徑代價等用于生成樹計算的所有數據信息[13-15]。其中，橋ID由網橋優先級+網橋MAC地址兩部分組成，路徑代價是由網絡鏈路長度、帶寬等因素累加因素決定的權值。基本生成樹協議算法的具體實現過程主要包括選取根橋、選取根端口、選取指定端口3個階段。下面以圖2所示的帶環路初始網絡為例分析基本生成樹協議的具體工作過程。

圖2 帶環路初始網絡

(1) 選取根橋。根橋的選取辦法是先比較網絡中各網橋的優先級，然后再比較各網橋MAC地址，如果優先級相同，則選擇MAC地址數最小的作為根網橋，圖2中橋接器B1的優先級最小，因此，選取B1為根橋，根橋B1上的所有端口均為指定端口，B2、B3、B4、B5為非根橋，以根橋為起始點出發，構造通向網絡中每一個網橋和局域網的無環樹狀網絡。

(2) 選取根端口。計算以根橋B1為起點連接非根橋B2、B3、B4、B5中各端口的通路路徑，選取連接到根橋通路路徑最短的端口為非根橋的根端口，如果有多個端口連接的通路路徑最短，則根據選擇順序產生根端口，最后，以根端口連接到根橋的通路路徑為非根橋到根橋的最佳路徑、路徑值為非根橋到根橋的路徑值。由此，計算出B2連接至B1的最佳路徑為LAN1，路徑值為4，根端口為端口2；B3連接至B1的最佳路徑為LAN2，路徑值為4，根端口為端口2；B4連接至B1的最佳路徑為LAN3、LAN1，路徑值為23，根端口為端口3；B5連接至B1的最佳路徑為LAN4、LAN2，路徑值為104，根端口為端口2。

(3) 選取指定端口。以選取根端口階段計算的結果為LAN1、LAN2、LAN3、LAN4、LAN5各網段指定橋接器，選取到根橋路徑值最小的橋接器為指定橋接器，如果有多個橋接器到根橋路徑值最小，則選擇優先級較小的橋接器為指定橋接器，如果指定橋接器有多個端口與指定網絡相連，則進一步比較端口的優先級，選擇優先級較小的端口為指定端口，其他端口為阻塞口。由此得出LAN1、LAN2為根橋的直連網絡，指定橋接器即為根橋，指定端口分別為根橋的端口1、端口2；LAN3連接根橋的指定橋接器為B2、指定端口為端口1；LAN4連接根橋的橋接器B2、B3的路徑值都為4，但B3的優先級小于B4的優先級，因此，LAN4連接根橋的指定橋接器為B3、指定端口為端口1，阻塞B2的端口3；LAN5連接根橋的指定橋接器為B4，B4中兩端口選擇端口2為指定端口，阻塞端口1，原因是端口2的優先級小端口1。

按上述生成樹算法工作到收斂狀態(所有網橋或交換機的端口都轉變為轉發狀態或阻塞狀態稱為收斂)后，圖2所示的帶環路初始網絡即可轉變為圖3所示的無環路樹狀網絡，圖3中虛擬線表示從邏輯上應該阻塞的鏈路。

圖3 無環樹狀網絡

1.3 快速生成樹協議

快速生成樹協議(Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP)由STP發展而來，在IEEE 802.1w標準中對其規范進行了詳細描述，實現的思想基本一致。RSTP相對于STP來講，STP通常需要30～50 s的收斂時間，而RSTP為了減少收斂時間，多了一些減少收斂時間的措施，具體措施為：①口接入的是計算機或者其他不運行STP的設備時，使接口立即進入轉發狀；②當接入層交換機連接到主干交換機上的主鏈路出現故障時，立即切換到備份鏈路，而不需再要經過30～50 s時間；③當主干交換機之間的鏈路出現故障時，只需經過30 s后即切換至備份鏈路，比原有的50 s少20 s。因此，當網絡結構改變時，RSTP可以快速恢復網絡的連通性，具有收斂速度快、端口進行轉發狀態需要的時間短等優點，比STP使用更為廣泛。

2 實驗仿真

下面重點介紹RSTP協議實驗的仿真實現過程，有關STP協議實驗仿真的詳細過程描述可見文獻[6]。

2.1 RSTP協議實驗仿真

RSTP協議實驗的目的是：① 理解RSTP協議的工作原理；② 掌握RSTP協議的配置方法。在Cisco Packet Tracer模擬器中使用2臺Cisco 2960交換機、2臺PC主機、4根網線互相連接構成如圖4所示的實驗拓撲結構，其中PC1、PC2的IP地址分別配置為192.168.1.10/24、192.168.1.20/24。

圖4 RSTP協議實驗拓撲結構

實驗步驟如下：

步驟1配置交換機SwitchA、SwitchB之間的Trunk鏈路，命令如下：

SwitchA(config)#int fa0/1

SwitchA(config-if)#switchport mode trunk

SwitchA(config)#int fa0/2

SwitchA(config-if)#switchport mode trunk

SwitchB(config)#int fa0/1

SwitchB(config-if)#switchport mode trunk

SwitchB(config)#int fa0/2

SwitchB(config-if)#switchport mode trunk

步驟2配置交換機SwitchA為根橋，命令如下：

SwitchA(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096

上述命令執行完后，分別在SwitchA、SwitchB上執行“show spanning-tree”命令檢查STP信息，發現SwitchB中fa0/2端口處于阻塞狀態，結果如圖5所示，主要原因是，配置SwitchA為根橋，則SwitchB為非根橋，SwitchB中端口fa0/1、fa0/2分別從SwitchA中fa0/1、fa0/2端口接收BPDU，兩條路徑的Cost值都為19，但是SwitchB中端口fa0/1接收的BPDU中發送者端口為1，優先級更高，被選為根口，進行轉發狀態，而SwitchB中端口fa0/2接收的BPDU中發送者端口為2，優先級更低，因此被阻塞。

圖5 SwitchB中STP信息

步驟3在SwitchB中關閉fa0/1，重復執行“show spanning-tree”命令檢查重新生成的STP信息，發現fa0/2經過30 s后進入了轉發狀態。

步驟4配置RSTP，命令如下：

SwitchA(config)#spanning-tree mode rapid-pvst

SwitchB(config)#spanning-tree mode rapid-pvst

步驟5在SwitchB中關閉fa0/1，重復執行“show spanning-tree”命令檢查重新生成的STP信息，發現fa0/2很快進入了轉發狀態，無需等待30 s，這說明RSTP的收斂時間比基本STP有很大改善。

2.2 驗證測試

為進一步驗證RSTP協議的工作原理及其消除網絡環路的作用，分別在打開SwitchB中Fa0/1端口和斷開SwitchB中Fa0/1端口兩種情況下進行測試驗證，在PC1中輸入命令ping 192.168.1.20測試到PC2的連通性，結果如圖6所示。

圖6 主機PC1 Ping 主機PC2的測試結果

上述實驗步驟及測試結果表明，當網絡存在環路時，RSTP可以自主的選擇優先級較高的路徑轉發數據幀，而阻塞優先級低的路徑，消除環路。當優先級較高的轉發路徑出現故障斷開時，RSTP可以快速的選擇優先級較低的備份鏈路轉發數據幀。驗證了RSTP協議的工作原理、作用，及其相比于基本STP的優勢，達到了實驗的目的。

3 結 語

本文詳細分析了兩種生成樹協議的工作原理，并基于CPT模擬器設計了實驗網絡結構，對RSTP協議進行實驗仿真，通過對仿真實驗的研究與分析，進一步加深了學習者對兩種生成樹協議工作原理和算法執行過程的理解、使其更容易掌握兩種生成樹協議的配置命令。同時，實驗仿真與分析過程表明，在CPT模擬器中進行仿真實驗操作簡單、方便，有效地克服了真實網絡環境下實驗可操作性差的問題。