中級(jí)通信工程師互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)：生成樹網(wǎng)橋

希賽網(wǎng)通信中級(jí)工程師考試頻道為考生提供通信中級(jí)工程師考試互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)之生成樹網(wǎng)橋，以便廣大考生備考。中級(jí)通信工程師輕松學(xué)習(xí)的秘訣點(diǎn)這里。

生成樹網(wǎng)橋

生成樹(SpanningTree)網(wǎng)橋是一種完全透明的網(wǎng)橋，這種網(wǎng)橋插入電纜后就可以自動(dòng)完成路由選擇功能，無需由用戶配置路由表或設(shè)置參數(shù)，網(wǎng)橋的功能是自己學(xué)習(xí)獲得的。下面從幀轉(zhuǎn)發(fā)、地址學(xué)習(xí)和環(huán)路分解三個(gè)方面介紹這種網(wǎng)橋的工作原理。

1.幀轉(zhuǎn)發(fā)

網(wǎng)橋?yàn)榱四軌驔Q定是否轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)傾，必須為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)端口保存一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)中保存著必須通過該端口轉(zhuǎn)發(fā)的左右站的地址。下面通過圖5-14說明這種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。圖5-14中的網(wǎng)橋102把所有互聯(lián)網(wǎng)中的站分為兩類，分別對(duì)應(yīng)它的兩個(gè)端口：在LANA,B,D和E上的站在網(wǎng)橋102的LANA端口一邊，這些站的地址列在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中;在LANC和F中的站在網(wǎng)橋102的LANC端口一邊，這些站的地址列在另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)就可以根據(jù)目標(biāo)地址和這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容決定是否把它從一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)端口。作為一般情況，假設(shè)網(wǎng)橋從端口X收到一個(gè)MAC幀，則它按以下步驟進(jìn)行路由決策(見圖5-15)。

查找除X端口之外的其他轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。

如果沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)地址，則丟棄幀;如果在某個(gè)端口Y的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)站地址，并且Y端口沒有阻塞，則把收到的MAC幀從Y端口發(fā)送出去;若Y端口阻塞，則丟棄該幀。

2.地址學(xué)習(xí)

以上轉(zhuǎn)發(fā)方案假設(shè)網(wǎng)橋已經(jīng)安裝入了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。如果采用靜態(tài)路由策略，轉(zhuǎn)發(fā)信息可以預(yù)先裝入網(wǎng)橋。還有一種更有效的自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)制，可以使網(wǎng)橋自己學(xué)習(xí)并建立合適的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。獲取轉(zhuǎn)發(fā)信息的一種簡(jiǎn)單方案利用了MAC幀中源地址字段，下面介紹這種學(xué)習(xí)機(jī)制。

如果一個(gè)MAC幀從某個(gè)端口到達(dá)網(wǎng)橋，顯然它的源工作站處于網(wǎng)橋的入口LAN-邊，從幀的源地址字段可以知道該站的地址，于是網(wǎng)橋就據(jù)此更氣相應(yīng)端口的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。為了應(yīng)付網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)的每一數(shù)據(jù)項(xiàng)(站地址)都配備一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，定時(shí)器復(fù)位;如果定時(shí)器超時(shí)，則該數(shù)據(jù)項(xiàng)被刪除，從而相應(yīng)傳輸方向的信息失效。每當(dāng)接收到一個(gè)MAC幀時(shí)，網(wǎng)橋就取出源地址字段并査看該地址是否在以上假定在數(shù)據(jù)庫(kù)中直接存儲(chǔ)站地址。如果采用兩級(jí)地址結(jié)構(gòu)，則數(shù)據(jù)庫(kù)只需存儲(chǔ)LAN地址部分就可以了，這樣可以節(jié)省網(wǎng)橋中的存儲(chǔ)空間。

3.環(huán)路分解—生成樹算法

以上介紹的學(xué)習(xí)算法適用于互聯(lián)網(wǎng)為樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況，即網(wǎng)絡(luò)中沒有環(huán)路，任意兩個(gè)站點(diǎn)之間只有通路。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)中出現(xiàn)環(huán)路時(shí)，這種方法就失效了。下面通過圖5-16說明問題是怎樣產(chǎn)生的，假定在時(shí)刻t0,站丨向站2發(fā)送了一個(gè)幀，兩個(gè)網(wǎng)橋都捕獲了這個(gè)幀并在各自的數(shù)據(jù)庫(kù)中把站1地址記錄在LANA一邊，隨之把該幀發(fā)往LANB.在稍后的某個(gè)時(shí)刻tl或t2網(wǎng)橋101和102又收到源地址為站1、目的地址為站2的MAC幀，但這一次是從LANB的方向傳來的，這時(shí)兩個(gè)網(wǎng)橋又要更新各自的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，把站A的地址記在LANB的一邊。

由此可見，由環(huán)路引起的循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)破壞了網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)庫(kù)，使得網(wǎng)橋無法獲得正確的轉(zhuǎn)發(fā)信息，克服這個(gè)問題的思路就是要設(shè)法消除環(huán)路，從而避免出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)發(fā)的情況，但圖論中有一種提取連通圖生成樹的簡(jiǎn)單算法，可以用于互連網(wǎng)絡(luò)消除其中的環(huán)路。在互連網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)LAN對(duì)應(yīng)于連通圖中的一個(gè)頂點(diǎn)，而每一個(gè)網(wǎng)橋則對(duì)應(yīng)于連通圖的一個(gè)邊，圖5-16有環(huán)路的局域網(wǎng)互連刪去連通圖的一邊等價(jià)于移去一個(gè)網(wǎng)橋，凡是構(gòu)成回路的網(wǎng)橋都可以逐個(gè)移去，最后得到的生成樹不含回路，又不改變圖的連通性。

這里需要一種算法，使得各個(gè)網(wǎng)橋之間通過交換信息自動(dòng)阻塞一些傳輸端口，從而破壞所有的環(huán)路并導(dǎo)出互連網(wǎng)絡(luò)的生成樹。這種算法應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)。

網(wǎng)橋能察覺到這種變化，并能導(dǎo)出新的生成樹。這里假定：

每一個(gè)網(wǎng)橋有MAC地址和優(yōu)先級(jí)，地址和優(yōu)先級(jí)構(gòu)成網(wǎng)橋的標(biāo)識(shí)符：

有一個(gè)特殊的地址用于標(biāo)識(shí)所有網(wǎng)橋;

網(wǎng)橋的每一個(gè)端口有標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符只在網(wǎng)橋內(nèi)部有效。

另外，還要建立以下概念。

根橋：作為生成樹樹根的網(wǎng)橋，例如，可選擇地址值最小的網(wǎng)橋作為根橋。

通路費(fèi)用：為網(wǎng)橋的每一個(gè)端口指定一個(gè)通路費(fèi)用，該費(fèi)用表示通過該端口向其連接的LAN傳送一個(gè)幀的代價(jià)。兩個(gè)站之間的通路可能要經(jīng)過多個(gè)網(wǎng)橋，這些網(wǎng)橋的有關(guān)費(fèi)用相加就構(gòu)成了兩站之間的通路費(fèi)用。例如，假定沿路每個(gè)網(wǎng)橋端口的費(fèi)用為1,則兩個(gè)站之間通路費(fèi)用就是經(jīng)過的網(wǎng)橋數(shù)。也可以把網(wǎng)橋端口的通路費(fèi)用與有關(guān)LAN的通信速率聯(lián)系起來。根通路：每一個(gè)網(wǎng)橋通句根橋的費(fèi)用最小的通路。

根端口：每一個(gè)網(wǎng)橋與根通路相連接的端口。

指定橋：每一個(gè)LAN有一個(gè)指定橋，這是在該LAN上提供最小費(fèi)用根通路的網(wǎng)橋。

指定端口：每一個(gè)LAN的指定橋連接該LAN的端口為指定端口，對(duì)于直接連接根橋的LAN,根橋就是指定橋，連接根橋的端口即為指定端口。

根據(jù)以上建立的概念，生成樹算法可采用以下步驟：

(1)確定一個(gè)根橋：

(2)確定其他網(wǎng)橋的根端口：

(3)每一個(gè)LAN確定一個(gè)指定橋和指定端口，如果有兩個(gè)以上網(wǎng)橋的根通路費(fèi)用相同，則選擇優(yōu)先級(jí)較高的網(wǎng)橋作為指定橋;如果指定橋有多個(gè)端口連接LAN,則選取標(biāo)識(shí)符最小的端口為指定端口。

按照以上算法，直接連接兩個(gè)LAN的網(wǎng)橋中只有一個(gè)作為指定橋，其他都刪除掉。這就排除了任何兩個(gè)LAN之間的環(huán)路。同理，以上算法也排除了多個(gè)LAN之間的環(huán)路，同時(shí)保持了連通性。應(yīng)用這個(gè)算法導(dǎo)出互連網(wǎng)絡(luò)生成樹的例子如圖5-17所示。

為了實(shí)現(xiàn)以上算法，網(wǎng)橋之間要交換信息。這種信息以網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)的形式在網(wǎng)橋之間傳播。網(wǎng)橋發(fā)出的BPDU包括：該網(wǎng)橋的地址標(biāo)識(shí)符和端口標(biāo)識(shí)符;該網(wǎng)橋認(rèn)為可以作為根橋的地址標(biāo)識(shí)符以及該網(wǎng)橋的根通路費(fèi)用。

開始時(shí)每個(gè)網(wǎng)橋都申明自己是根橋并把以上信息廣播給所有與它相連的LAN上的網(wǎng)橋。

在每一個(gè)LAN上只有一個(gè)地址值最小的標(biāo)識(shí)符，只有該網(wǎng)橋可以堅(jiān)持自己的聲明，其他網(wǎng)橋則放棄自己的聲明，并根據(jù)收到的信息確定自己的根端口，重新計(jì)算根通路費(fèi)用。當(dāng)這種BPDU在整個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)中傳播時(shí)，所有網(wǎng)橋可最終確定一個(gè)根橋，其他網(wǎng)橋據(jù)此計(jì)算自己的根端口和根通路。在同一個(gè)LAN上連接的各個(gè)網(wǎng)橋還需根據(jù)自己的根通路費(fèi)用確定指定橋和指定端口。顯然，這個(gè)過程要求在網(wǎng)橋之間多次交換消息，自認(rèn)為是根橋的那個(gè)網(wǎng)絡(luò)不斷廣播自己的聲明。圖5-17(a)的互連網(wǎng)絡(luò)中通過交換信息導(dǎo)出生成樹的過程如下。

LAN2相連的三個(gè)網(wǎng)橋1、3和4選出網(wǎng)橋1為根橋，網(wǎng)橋3把它與LAN2相連的端口確定為根端口。類似地，網(wǎng)橋4把它與LAN2相連的端口確定為根端口。

與LAN1相連的三個(gè)網(wǎng)橋1、2、5中選出網(wǎng)橋1為根橋，網(wǎng)橋2和5相應(yīng)地確定其通路費(fèi)用和端口。

與LAN5相連的三個(gè)網(wǎng)橋通過比較各自的各根通路費(fèi)用的優(yōu)先級(jí)選出網(wǎng)橋4為指定網(wǎng)橋，其根端口為指定端口。

其他計(jì)算過程從略。最后導(dǎo)出的生成樹如圖5-17(b)所示。只有指定橋的指定端口可轉(zhuǎn)發(fā)信息，其他網(wǎng)橋的端口都必須阻塞起來。在生成樹建立起來以后，網(wǎng)橋之間還必須周期地轉(zhuǎn)發(fā)BPDU,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、通路費(fèi)用以及優(yōu)先級(jí)改變的情況。

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