《數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第三章

第3章以太網(wǎng)交換機(jī)工作原理

3.1以太網(wǎng)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3.2以太網(wǎng)基本概念3.3透明網(wǎng)橋功能及工作原理3.4MAC幀轉(zhuǎn)發(fā)及過濾原理3.5網(wǎng)絡(luò)可靠性及環(huán)路3.6STP協(xié)議的工作原理及作用3.7交換機(jī)的基本操作和數(shù)據(jù)配置

3.1以太網(wǎng)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

以太網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。由于介質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，Xerox公司將許多機(jī)器相互連接，形成巨型打印機(jī)，這就是以太網(wǎng)的原型，如圖3-1所示。圖3-1以太網(wǎng)的原型后來，Xerox公司推出了帶寬為2Mb/s的以太網(wǎng)，又和Intel和DEC公司合作推出了帶寬為10Mb/s的以太網(wǎng)，這就是通常所稱的以太網(wǎng)Ⅱ或以太網(wǎng)DIX(Digital，Intel和Xerox)。IEEE(電器和電子工程師協(xié)會(huì))下屬的802協(xié)委員會(huì)制定了一系列局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3)與由Intel、Digital和Xerox推出的以太網(wǎng)Ⅱ非常相似。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步與帶寬的提升，目前在很多情況下以太網(wǎng)成了局域網(wǎng)的代名詞。電器和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)在1980年2月組成了一個(gè)802委員會(huì)，并制定了一系列局域網(wǎng)方面的標(biāo)準(zhǔn)，802.3協(xié)議簇制定了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。其中包括：

(1)?IEEE802.3為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.2為LLC(邏輯鏈路控制)標(biāo)準(zhǔn)；

(2)?IEEE802.3u為100M以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

(3)?IEEE802.3z為1000M以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

(4)?IEEE802.3ab為1000M以太網(wǎng)運(yùn)行在雙絞線上的

標(biāo)準(zhǔn)。

(1)以太網(wǎng)/IEEE802.3：采用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，傳輸速率達(dá)到10Mb/s；

(2)?100Mb/s以太網(wǎng)：亦稱為快速以太網(wǎng)，采用雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)媒體，傳輸速率達(dá)到100Mb/s；

(3)?1000Mb/s以太網(wǎng)：亦稱為千兆以太網(wǎng)，采用光纜或雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)媒體，傳輸速率達(dá)到1000Mb/s(1Gb/s)。3.2以太網(wǎng)基本概念

3.2.1傳統(tǒng)以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)比較

HUB(集線器)只對信號做簡單的再生與放大，所有設(shè)備共享一個(gè)傳輸介質(zhì)，設(shè)備必須遵循CSMA/CD方式進(jìn)行通信。使用HUB連接的傳統(tǒng)共享式以太網(wǎng)中所有工作站處于同一個(gè)沖突域和同一個(gè)廣播域之中。交換機(jī)根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)或過濾數(shù)據(jù)幀，隔離了沖突域，工作在數(shù)據(jù)鏈路層。所以，交換機(jī)每個(gè)端口都是單獨(dú)的沖突域。

如果將工作站直接連接到交換機(jī)的端口，則此工作站獨(dú)享帶寬。但是由于交換機(jī)對目的地址為廣播的數(shù)據(jù)幀做洪泛的操作，廣播幀會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口，所以所有通過交換機(jī)連接的工作站都處于同一個(gè)廣播域之中。如圖3-2所示。圖3-2傳統(tǒng)以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)比較3.2.2以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，具體說明如下：

前導(dǎo)(Preamble)：一個(gè)交替由0和1組成的7個(gè)8位位組(Octet)模式被用做同步。

幀定界符開始(StartofFrameDelimiter)：特殊模式10101011表示幀的開始。目的地址(DestinationAddress)：若第一位是0，則表明這個(gè)字段指定了一個(gè)特定站點(diǎn)。若是1，則表明該目的地址是一組地址，幀被發(fā)送往由該地址規(guī)定的預(yù)先定義的一組地址中的所有站點(diǎn)。每個(gè)站點(diǎn)的接口知道它自己的組地址，當(dāng)它見到這個(gè)組地址時(shí)會(huì)作出響應(yīng)。若所有的位均為1，則該幀將被廣播至所有的站點(diǎn)。源地址(SourceAddress)：說明一個(gè)幀的來源。

數(shù)據(jù)長度字段(DataLengthField)：說明在數(shù)據(jù)和填充字段里的8位字節(jié)的數(shù)目。

數(shù)據(jù)字段(DataField)：上層數(shù)據(jù)。

填充字段(PadField)：數(shù)據(jù)字段必須至少是46個(gè)8位字節(jié)(或許更多)。若沒有足夠的數(shù)據(jù)，則額外的8位位組將被添加(填充)到數(shù)據(jù)中以補(bǔ)足差額。幀校驗(yàn)序列(FrameCheckSequence)：使用32位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的錯(cuò)誤檢驗(yàn)。圖3-3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)3.2.3MAC地址

MAC地址有48位，它可以轉(zhuǎn)換成12位的十六進(jìn)制數(shù)，將這個(gè)數(shù)分成3組，每組有4個(gè)數(shù)字，中間以點(diǎn)分開，如圖3-4所示。MAC地址有時(shí)也稱為點(diǎn)分十六進(jìn)制數(shù)，它一般存放在NIC(網(wǎng)絡(luò)接口控制器)中。為了確保MAC地址的唯一性，則須IEEE對這些地址進(jìn)行管理。每個(gè)地址由兩部分組成，分別是供應(yīng)商代碼和序列號。供應(yīng)商代碼代表NIC制造商的名稱，它占用MAC的前六位十二進(jìn)制數(shù)字，即24位二進(jìn)制數(shù)字。序列號由設(shè)備供應(yīng)商管理，它占用剩余的6位地址，即最后的24位二進(jìn)制數(shù)字。如果設(shè)備供應(yīng)商用完了所有的序列號，那他必須申請另外

的供應(yīng)商代碼。如目前ZTE的GAR產(chǎn)品MAC地址前六位為00d0d0。圖3-4MAC地址結(jié)構(gòu)3.2.4CSMA/CD

如圖3-5所示，以太網(wǎng)使用CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多址訪問)。我們可以將CSMA/CD比做一種文雅的交談，在這種交談方式中，如果有人想闡述觀點(diǎn)，他應(yīng)該先聽聽是否有其他人在說話(即載波偵聽)，如果這時(shí)有人在說話，他應(yīng)該耐心地等待，直到對方結(jié)束說話，然后他才可以開始發(fā)表意見。有一種情況，有可能兩個(gè)人在同一時(shí)間都想開始說話，那會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況呢？顯然，如果兩個(gè)人同時(shí)說話，這時(shí)很難辨別出每個(gè)人都在說什么。但是，在文雅的交談方式中，當(dāng)兩個(gè)人同時(shí)開始說話時(shí)，雙方都會(huì)發(fā)現(xiàn)他們在同一時(shí)間開始講話(即沖突檢測)，這時(shí)說話立即終止，隨機(jī)地過了一段時(shí)間后，說話才開始。說話時(shí)，由第一個(gè)開始說話的人來對交談進(jìn)行控制，而第二個(gè)開始說話的人將不得不等待，直到第一個(gè)人說完，然后他才能開始說話。圖3-5以太網(wǎng)使用CSMA/CD以太網(wǎng)的工作方式與上面的方式相同。首先，以太網(wǎng)網(wǎng)段上需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點(diǎn)對導(dǎo)線進(jìn)行監(jiān)聽，這個(gè)過程稱為CSMA/CD的載波偵聽。如果這時(shí)有另外的節(jié)點(diǎn)正在傳送數(shù)據(jù)，監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)將不得不等待，直到傳送節(jié)點(diǎn)的傳送任務(wù)結(jié)束。如果某時(shí)恰好有兩個(gè)工作站同時(shí)準(zhǔn)備傳送數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)網(wǎng)段將發(fā)出“沖突”信號，這時(shí)節(jié)點(diǎn)上所有的工作站都將檢測到?jīng)_突信號，因?yàn)檫@時(shí)導(dǎo)線上的電壓超出了標(biāo)準(zhǔn)電壓。沖突產(chǎn)生后，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都將立即發(fā)出擁塞信號，以確保每個(gè)工作站都檢測到這時(shí)以太網(wǎng)上已產(chǎn)生沖突，然后網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行恢復(fù)，在恢復(fù)的過程中，導(dǎo)線上將不能傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)將擁塞信號傳送完畢，并過了一段隨機(jī)時(shí)間后，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)便開始啟動(dòng)隨機(jī)計(jì)時(shí)器。第一個(gè)隨機(jī)計(jì)時(shí)器到期的工作站將首先對導(dǎo)線進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)它監(jiān)聽到?jīng)]有任何信息在傳輸時(shí)，便開始傳輸數(shù)據(jù)。3.3透明網(wǎng)橋功能及工作原理

在以太網(wǎng)中，作出轉(zhuǎn)發(fā)決定的過程稱為透明橋接。其連接方式如圖3-6所示。圖3-6透明橋接所謂的透明，指的是首先連接在網(wǎng)橋上的終端設(shè)備并不知道所連接的是共享媒介還是交換設(shè)備，即設(shè)備對終端用戶來說是透明的；其次透明網(wǎng)橋?qū)ζ滢D(zhuǎn)發(fā)的幀結(jié)構(gòu)不作任何改動(dòng)與處理(VLAN的trunk線路除外)。透明網(wǎng)橋有三個(gè)主要功能：地址學(xué)習(xí)功能、轉(zhuǎn)發(fā)和過濾功能、環(huán)路避免功能。通常這三個(gè)功能在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)起作用。以太網(wǎng)交換機(jī)具有透明網(wǎng)橋的三個(gè)主要功能。

網(wǎng)橋基于目標(biāo)MAC(介質(zhì)訪問控制)地址作出轉(zhuǎn)發(fā)決定，所以網(wǎng)橋必須“獲取”MAC地址的位置，這樣才能準(zhǔn)確地作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。當(dāng)網(wǎng)橋與物理網(wǎng)段連接時(shí)，它會(huì)對它監(jiān)測到的所有幀進(jìn)行檢查。網(wǎng)橋讀取幀的源MAC地址字段后與接收端口關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中。

由于MAC地址表是保存在交換機(jī)的內(nèi)存之中的，所以當(dāng)交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)MAC地址表是空的。如圖3-7所示，此時(shí)工作站A給工作站C發(fā)送了一個(gè)單播數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)通過E0口收到了這個(gè)數(shù)據(jù)幀，讀取出幀的源MAC地址后將工作站A的MAC地址與端口E0關(guān)聯(lián)，記錄到MAC地址表中。圖3-7透明網(wǎng)橋地址學(xué)習(xí)功能由于此時(shí)這個(gè)幀的目的MAC地址對交換機(jī)來說是未知的，因此為了讓這個(gè)幀能夠到達(dá)目的地，需要交換機(jī)執(zhí)行洪泛的操作，即從除了進(jìn)入端口外所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。

目的MAC地址未知的情況下交換機(jī)將洪泛數(shù)據(jù)幀。

工作站D發(fā)送一個(gè)幀給工作站C時(shí)，交換機(jī)執(zhí)行相同的操作，通過這個(gè)過程，交換機(jī)學(xué)習(xí)到了工作站D的MAC地址，并與端口E3關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中。所有的工作站都發(fā)送過數(shù)據(jù)幀后，交換機(jī)學(xué)習(xí)到了所有的工作站的MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系，并記錄到MAC地址表中。此時(shí)工作站A給工作站C發(fā)送了一個(gè)單播數(shù)據(jù)幀，如圖3-8所示，交換機(jī)檢查到了此幀的目的MAC地址已經(jīng)在MAC地址表中存在，并和E2端口相關(guān)聯(lián)，交換機(jī)將此幀直接向E2端口轉(zhuǎn)發(fā)，即做轉(zhuǎn)發(fā)決定。對其他端口并不轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)幀，即做所謂的過濾操作。圖3-8透明網(wǎng)橋過濾功能

3.4MAC幀轉(zhuǎn)發(fā)及過濾原理

如圖3-9所示，某工作站發(fā)出數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)檢測到目的MAC地址為廣播、組播或目的MAC地址未知(交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中無此MAC地址)時(shí)，交換機(jī)將對此幀做洪泛操作，即從除了進(jìn)入端口外向所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。圖3-9廣播、組播或目的MAC地址未知數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)如果交換機(jī)支持IGMP監(jiān)聽等支持組播的功能，交換機(jī)將不再采用洪泛的方式轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)幀。

交換機(jī)在某端口接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后的處理流程如圖3-10所示。

(1)交換機(jī)首先判斷此數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是否為廣播或組播地址，如果是，即進(jìn)行洪泛操作。

(2)如果目的MAC地址不是廣播或組播地址，而是去往某設(shè)備的單播地址，那么交換機(jī)在MAC地址表中查找此地址時(shí)，若此地址是未知的，也將按照洪泛的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

(3)如果目的地址是單播地址并且已經(jīng)存在在交換機(jī)的MAC地址表中，交換機(jī)將把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至此目的MAC地址關(guān)聯(lián)的端口。圖3-10轉(zhuǎn)發(fā)/過濾流程3.5網(wǎng)絡(luò)可靠性及環(huán)路

為了提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，消除單點(diǎn)失效故障，通常在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中采用多臺設(shè)備、多個(gè)端口、多條線路的冗余連接方式。如圖3-11所示。圖3-11網(wǎng)絡(luò)冗余連接但是冗余拓?fù)湓诖嬖谖锢憝h(huán)路的情況下可能會(huì)導(dǎo)致二層環(huán)路的產(chǎn)生，如圖3-12所示。如果交換機(jī)不對二層環(huán)路作處理，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)問題，包括廣播風(fēng)暴、幀的重復(fù)復(fù)制、交換機(jī)MAC地址表的不穩(wěn)定(MAC地址漂移)等問題。圖3-12二層環(huán)路3.5.1廣播風(fēng)暴

如圖3-13所示，廣播風(fēng)暴的形成過程如下：在一個(gè)存在物理環(huán)路的二層網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)X發(fā)送了一個(gè)廣播數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)A從上方的端口接收到廣播幀，作洪泛處理，轉(zhuǎn)發(fā)至下面的端口。通過下面的連接，廣播幀將到達(dá)交換機(jī)B的下方端口。圖3-13廣播風(fēng)暴交換機(jī)在下方的端口收到一個(gè)廣播數(shù)據(jù)幀之后，將作洪泛處理，通過上方的端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，交換機(jī)A將在上方端口重新接收到這個(gè)廣播數(shù)據(jù)幀。

由于交換機(jī)執(zhí)行的是透明橋的功能，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)不對幀作任何處理。所以對于再次到來的廣播幀，交換機(jī)A不能識別出此數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被轉(zhuǎn)發(fā)過，交換機(jī)A還將對此廣播幀作洪泛的操作。廣播幀到達(dá)交換機(jī)B后會(huì)作同樣的操作，并且此過程會(huì)不斷進(jìn)行下去，無限循環(huán)。以上分析的只是廣播被傳播的一個(gè)方向，實(shí)際環(huán)境中會(huì)在兩個(gè)不同的方向上產(chǎn)生這一過程。

在很短的時(shí)間內(nèi)大量重復(fù)的廣播幀被不斷循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)消耗掉整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬，而連接在這個(gè)網(wǎng)段上的所有主機(jī)設(shè)備也會(huì)受到影響，CPU將不得不產(chǎn)生中斷來處理不斷到來的廣播幀，極大地消耗系統(tǒng)的處理能力，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致死機(jī)。一旦產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，系統(tǒng)將無法自動(dòng)恢復(fù)，必須由系統(tǒng)管理員人工干預(yù)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。(某些設(shè)備在端口上可以設(shè)置廣播限制，一旦在特定時(shí)間內(nèi)檢測到廣播幀超過了預(yù)先設(shè)置的閾值，即可進(jìn)行某些操作，如關(guān)閉此端口一段時(shí)間以減輕廣播風(fēng)暴對網(wǎng)絡(luò)帶來的損害。但這種方法并不能真正消除二層環(huán)路帶來的危害。)3.5.2重復(fù)的幀

數(shù)據(jù)幀被多次復(fù)制的過程：如圖3-14所示，主機(jī)X發(fā)送一單播數(shù)據(jù)幀，目的為路由器Y的本地接口，而此時(shí)路由器Y的本地接口的MAC地址對于交換機(jī)A與B都是未知的。圖3-14數(shù)據(jù)幀復(fù)制數(shù)據(jù)幀通過上方的網(wǎng)段直接到達(dá)路由器Y，同時(shí)到達(dá)交換機(jī)A的上方的端口。當(dāng)交換機(jī)對于幀的目的MAC地址未知時(shí)，交換機(jī)會(huì)進(jìn)行洪泛的操作。交換機(jī)A會(huì)將此數(shù)據(jù)幀從下方的端口轉(zhuǎn)發(fā)出來，數(shù)據(jù)幀到達(dá)交換機(jī)B的下方端口，交換機(jī)B的情況與交換機(jī)A相同，也會(huì)對此數(shù)據(jù)幀進(jìn)行洪泛的操作，從上方的端口將此數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出來，同樣的數(shù)據(jù)幀再次到達(dá)路由器Y的本地接口。3.5.3MAC地址表的不穩(wěn)定

MAC地址表不穩(wěn)定的過程如圖3-15所示。主機(jī)X發(fā)送一單播數(shù)據(jù)幀，目的為路由器Y的本地接口，而此時(shí)路由器Y的本地接口的MAC地址對于交換機(jī)A與B都是未知的。

數(shù)據(jù)幀通過上方的網(wǎng)段到達(dá)交換機(jī)A與交換機(jī)B的上方的端口。交換機(jī)A與交換機(jī)B將此數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，即主機(jī)X的MAC地址與各自的port0相關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中。圖3-15MAC地址漂移此時(shí)兩個(gè)交換機(jī)對此數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是未知的，當(dāng)交換機(jī)對幀的目的MAC地址未知時(shí)，交換機(jī)會(huì)進(jìn)行洪泛的操作。兩臺交換機(jī)都會(huì)將此數(shù)據(jù)幀從下方的port1轉(zhuǎn)發(fā)出來并將到達(dá)對方的port1。兩個(gè)交換機(jī)都從下方的port1收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀，其源地址為主機(jī)X的MAC地址，交換機(jī)會(huì)認(rèn)為主機(jī)X連接在port1所在網(wǎng)段而意識不到此數(shù)據(jù)幀是經(jīng)過其他交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的，所以會(huì)將主機(jī)X的MAC地址改為與port1相關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中。交換機(jī)學(xué)習(xí)到了錯(cuò)誤的信息，將會(huì)造成交換機(jī)MAC地址表的不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象也被稱為MAC地址漂移。3.5.4環(huán)路問題

在實(shí)際的組網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)形成復(fù)雜的多環(huán)路連接，如圖3-16所示。面對如此復(fù)雜的環(huán)路，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須有一種解決辦法在存在物理環(huán)路的情況下阻止二層環(huán)路的發(fā)生。圖3-16環(huán)路問題3.6STP協(xié)議的工作原理及作用

生成樹協(xié)議(Spanning-treeProtocol)可以在有物理環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中阻止二層環(huán)路的產(chǎn)生。生成樹協(xié)議能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械沫h(huán)路，保留一條最佳鏈路作為轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，阻塞其他冗余鏈路，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)且無環(huán)路。功能強(qiáng)大、可靠的網(wǎng)絡(luò)需要有效地傳輸流量，提供冗余和故障快速恢復(fù)的能力。

在第二層網(wǎng)絡(luò)中，生成樹協(xié)議通過在存在物理環(huán)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一個(gè)無環(huán)路的二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供了冗余鏈接，消除了環(huán)路的威脅。如圖3-17所示，STP協(xié)議中定義了根橋(RootBridge)——生成樹的參考點(diǎn)、根端口(RootPort)——非根橋到達(dá)根橋的最近端口、指定端口(DesignatedPort)——連接各網(wǎng)段的轉(zhuǎn)發(fā)端口、路徑開銷(PathCost)——整個(gè)路徑上端口開銷之和等概念，目的在于通過構(gòu)造一棵自然樹的方法達(dá)到裁剪冗余環(huán)路的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鏈路備份和路徑最優(yōu)化。圖3-17STP原理網(wǎng)橋之間必須要進(jìn)行一些信息的交流，這些信息交流單元稱為配置消息橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU(BridgeProtocolDataUnit)。STPBPDU是一種二層報(bào)文，目的MAC是多播地址01-80-C2-00-00-00，缺省情況下交流信息每2秒更新1次。所有支持STP協(xié)議的網(wǎng)橋都會(huì)接收并處理收到的BPDU報(bào)文，該報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹計(jì)算的所有有用信息。如圖3-18所示，根橋選擇的依據(jù)是網(wǎng)橋優(yōu)先級和網(wǎng)橋MAC地址組合成的橋ID(BridgeID)，橋ID最小的網(wǎng)橋?qū)⒊蔀榫W(wǎng)絡(luò)中的根橋。各網(wǎng)橋都以默認(rèn)配置啟動(dòng)，在網(wǎng)橋優(yōu)先級相同(默認(rèn)優(yōu)先級是32768)的情況下，MAC地址最小的網(wǎng)橋成為根橋，它的所有端口的角色都成為指定端口，進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。圖3-18STP根橋的選擇如圖3-19所示，在根橋上，所有端口都是指定端口，處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，用于為所有網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在非根橋上，到達(dá)根橋最近的轉(zhuǎn)發(fā)端口為根端口，這里請注意根端口并不在根橋上。非根橋上由于檢測到環(huán)路而被阻塞的端口為非指定端口(不為相連網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù))。圖3-19STP的端口狀態(tài)橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)的作用：除了在STP剛開始運(yùn)行時(shí)選舉根橋外，其他還包括檢測發(fā)生環(huán)路的位置，通告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變，監(jiān)控生成樹的狀態(tài)等作用。其結(jié)構(gòu)如圖

3-20所示。圖3-20STPBDPU結(jié)構(gòu)如圖3-21所示，開始啟動(dòng)STP時(shí)，所有交換機(jī)將根橋ID設(shè)置為與自己橋的ID相同，即認(rèn)為自己是根橋。當(dāng)收到其他交換機(jī)發(fā)出的BPDU并且其中包含比自己的橋ID小的根橋ID時(shí)，交換機(jī)將此學(xué)習(xí)到的具有最小橋ID的交換機(jī)作為STP的根橋。

圖3-21STP根橋的選擇過程根路徑的選擇則如圖3-22所示，是根據(jù)BPDU中根路徑開銷、傳輸橋ID、端口ID進(jìn)行選擇的。其中端口ID由1字節(jié)端口優(yōu)先級與1字節(jié)端口號組成。根路徑開銷為到達(dá)根橋所經(jīng)過的所有端口開銷的總和。圖3-22STP根路徑的選擇當(dāng)非根橋檢測到了環(huán)路的存在后，必須保留一條鏈路作為轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，阻塞掉其他冗余鏈路。選擇轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的方式：首先選擇鏈路開銷最小的鏈路作為轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，如果存在多條鏈路開銷相等且具有最小開銷的鏈路，則選擇有最小轉(zhuǎn)發(fā)橋ID的鏈路，如果存在多條橋ID相同的且有最小鏈路開銷的鏈路，則選擇有最小轉(zhuǎn)發(fā)端口ID的鏈路。如圖3-23所示，交換機(jī)上一個(gè)原來被阻塞掉的端口由于在最大老化時(shí)間內(nèi)沒有收到BPDU，從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A聽狀態(tài)，傾聽狀態(tài)經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲(15s)到達(dá)學(xué)習(xí)狀態(tài)，經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間的MAC地址學(xué)習(xí)過程后進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。如果到達(dá)傾聽狀態(tài)后發(fā)現(xiàn)本端口在新的生成樹中不應(yīng)該由此端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，則直接回到阻塞狀態(tài)。圖3-23STP端口狀態(tài)

STP相關(guān)時(shí)間最大的老化時(shí)間(BridgeMaxAge)：數(shù)值范圍從6s到40s，缺省為20s。

如果在超出最大老化時(shí)間之后，還沒有從原來轉(zhuǎn)發(fā)的端口收到根橋發(fā)出的BPDU，那么交換機(jī)則認(rèn)為是鏈路或端口發(fā)生了故障，需要重新計(jì)算生成樹，需要打開一個(gè)原來阻塞掉的端口。如果交換機(jī)在超出最大老化時(shí)間之后沒有在任何端口收到BPDU，說明此交換機(jī)與根橋失去了聯(lián)系，此交換機(jī)將充當(dāng)根橋向其他所有的交換機(jī)發(fā)出BPDU數(shù)據(jù)包。如果該交換機(jī)確實(shí)具有最小的橋ID，那么，它將成為根橋。

當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化，新的配置消息要經(jīng)過一定的延時(shí)才能傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)延時(shí)稱為轉(zhuǎn)發(fā)延遲(ForwardDelay)，協(xié)議默認(rèn)值是15s。在所有網(wǎng)橋收到這個(gè)變化的消息之前，若舊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中處于轉(zhuǎn)發(fā)的端口還沒有發(fā)現(xiàn)自己應(yīng)該在新的拓?fù)渲型Ｖ罐D(zhuǎn)發(fā)，則可能存在臨時(shí)環(huán)路。為了解決臨時(shí)環(huán)路的問題，生成樹使用了一種定時(shí)器策略，即在端口從阻塞狀態(tài)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)中間加上一個(gè)只學(xué)習(xí)MAC地址但不參與轉(zhuǎn)發(fā)的中間狀態(tài)，兩次狀態(tài)切換的時(shí)間長度都是ForwardDelay，這樣就可以保證在拓?fù)渥兓瘯r(shí)不會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)環(huán)路。但由此導(dǎo)致STP的切換時(shí)間比較長，典型的切換時(shí)間為最大的老化時(shí)間加2次轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間，約為50s。收斂時(shí)間：對于運(yùn)行STP的交換機(jī)來說，收斂(Convergence)狀態(tài)意味著所有交換機(jī)端口都處于Forwarding

或Blocking狀態(tài)，狀態(tài)穩(wěn)定，沒有拓?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，在新的生成樹沒有完成計(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)改變到新的生成樹計(jì)算完成的這段時(shí)間叫做收斂時(shí)間，通常STP的收斂時(shí)間為50s左右。3.7交換機(jī)的基本操作和數(shù)據(jù)配置

3.7.1ZXR103928配置基礎(chǔ)

ZXR103928以太網(wǎng)交換機(jī)是中興通訊自主開發(fā)的L3層以太網(wǎng)交換機(jī)，可提供限速的二層交換功能和三層路由功能。中興通訊的以太網(wǎng)交換機(jī)基于統(tǒng)一的命令平臺，我們將以3928為例來介紹常見交換機(jī)的實(shí)用技術(shù)。如圖3-24，ZXR103928可以提供固定的24個(gè)100BASE-TX以太網(wǎng)端口，所有端口支持自適應(yīng)功能，并支持MDI/MDIX自動(dòng)識別功能，交換機(jī)連接設(shè)備時(shí)可以任意使用直連網(wǎng)線或交叉線。3928的