摘  要： 在STP基礎(chǔ)上提出了一種快速的環(huán)路保護(hù)算法。該算法能夠提供毫秒級(jí)的環(huán)路消除和故障恢復(fù)能力且開銷小。最后介紹了該算法在硬件上的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 冗余鏈路；環(huán)路保護(hù)；STP

　交換式以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用到工廠、煤礦、電力等場(chǎng)所。為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，網(wǎng)絡(luò)需要具備冗余鏈路。交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)路為交換網(wǎng)絡(luò)提供冗余鏈路，消除了由于單點(diǎn)故障而引起的網(wǎng)絡(luò)中斷，但同時(shí)形成數(shù)據(jù)環(huán)路，會(huì)引發(fā)二層交換網(wǎng)絡(luò)的廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓[1]。
　為了解決冗余鏈路引起的問題，環(huán)路保護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。生成樹協(xié)議STP（IEEE 802.1D，Spanning Tree Protocol）通過阻塞冗余端口進(jìn)行鏈路備份，使得網(wǎng)絡(luò)中斷后可在30 s~60 s內(nèi)恢復(fù)。為了縮短網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間，IEEE又提出了與STP兼容的快速生成樹協(xié)議RSTP （Rapid Spanning Tree Protocol），其收斂時(shí)間為秒級(jí)[2]。
　本文在分析STP這種主流的環(huán)路保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了快速環(huán)路保護(hù)技術(shù)（RRP）。針對(duì)環(huán)型拓?fù)洌琑RP克服了傳統(tǒng)STP自愈時(shí)間長的缺點(diǎn)，可達(dá)到毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間，而且復(fù)雜度低，便于實(shí)現(xiàn)。
1 生成樹工作原理及其缺點(diǎn)
　STP是將一個(gè)存在物理環(huán)路的交換網(wǎng)絡(luò)變成一個(gè)沒有環(huán)路的邏輯樹型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在邏輯上裁剪冗余環(huán)路，同時(shí)在物理上實(shí)現(xiàn)鏈路備份和路徑最優(yōu)化。STP通過Config-BPDU數(shù)據(jù)包來構(gòu)造樹型網(wǎng)絡(luò)，通過Tcn-BPDU來通告網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。STP算法步驟如下：
?。?）選舉根節(jié)點(diǎn)。擁有最小標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)將成為根節(jié)點(diǎn)。選舉過程開始時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都聲明自己是根。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)端口收到高優(yōu)先級(jí)的Config-BPDU時(shí)，就在該端口保存這些信息，同時(shí)向所有端口更新并傳播信息。如果收到比自己低優(yōu)先級(jí)的Config-BPDU，節(jié)點(diǎn)就丟棄該信息。根節(jié)點(diǎn)的所有端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
　（2）確定根端口。對(duì)每個(gè)非根節(jié)點(diǎn)，選擇一個(gè)到根節(jié)點(diǎn)路徑最短的端口作為此節(jié)點(diǎn)的根端口。所有根端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
?。?）確定指定端口。多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到同一網(wǎng)段時(shí)，代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)被稱為指定節(jié)點(diǎn)，取指定節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)段上的一個(gè)端口作為指定端口。指定端口通過逐個(gè)考查與端口相連的網(wǎng)段來確定，選擇指定端口的依據(jù)首先是路徑成本，路徑成本低的端口將成為指定端口。所有指定端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
?。?）等待拓?fù)渥兓Ｈ舾?jié)點(diǎn)故障，其余各節(jié)點(diǎn)的每個(gè)端口都收不到Config-BPDU數(shù)據(jù)包，則等待Config-BPDU數(shù)據(jù)包的計(jì)時(shí)器都超時(shí)，都認(rèn)為自己是根節(jié)點(diǎn)，開始重新構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)步驟（1）~（3）。
通過對(duì)STP工作原理的分析，找到STP自愈時(shí)間長的幾個(gè)原因：
?。?）每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口角色確定復(fù)雜。節(jié)點(diǎn)有根端口、指定端口和阻塞端口3種角色。各節(jié)點(diǎn)的端口不停地發(fā)送和接收Config-BPDU。每個(gè)端口根據(jù)收到的BPDU數(shù)據(jù)包不斷更新端口配置信息，計(jì)算出根端口、指定端口和阻塞端口。根端口和指定端口還要經(jīng)過2個(gè)Forward Delay Time才能進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
?。?）根節(jié)點(diǎn)沒有主動(dòng)的故障偵測(cè)能力，這導(dǎo)致STP對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變響應(yīng)緩慢。拓?fù)渥兓瘯r(shí)，發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓墓?jié)點(diǎn)向根節(jié)點(diǎn)方向發(fā)送Tcn-BPDU，通告過程中存在多次應(yīng)答，等到根節(jié)點(diǎn)收到Tcn-BPDU后發(fā)送攜帶拓?fù)涓淖儤?biāo)志位的Config-BPDU，通知其他節(jié)點(diǎn)刷新MAC地址表，確立新路徑。新選出的根端口和指定端口也要經(jīng)過2個(gè)Forward Delay Time才能進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
2 RRP算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
　交換機(jī)端口對(duì)數(shù)據(jù)的處理無非是丟棄或轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以將交換機(jī)端口狀態(tài)分為阻塞和轉(zhuǎn)發(fā)兩種。根交換節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的邏輯中心而非物理中心，為了提高拓?fù)涓淖兊姆磻?yīng)速度，根交換節(jié)點(diǎn)需要自發(fā)故障檢測(cè)，而不依賴其他交換節(jié)點(diǎn)的故障通告。
2.1 快速環(huán)路保護(hù)算法（RRP）
?。?）選擇根節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)是環(huán)網(wǎng)狀態(tài)主動(dòng)檢測(cè)機(jī)制的發(fā)起者，也是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變后執(zhí)行操作的決策者。初始時(shí)，各交換節(jié)點(diǎn)在hello-timer的作用下定時(shí)從兩個(gè)級(jí)聯(lián)端口發(fā)送環(huán)路健康檢測(cè)報(bào)文，即hello報(bào)文，交換節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷，選擇出根交換機(jī)，ID越小，優(yōu)先級(jí)越高。如果收到報(bào)文的ID比自己的ID小，表明自己為傳輸節(jié)點(diǎn)，從另一端口轉(zhuǎn)發(fā)收到的報(bào)文，自己不再發(fā)送hello報(bào)文；如果收到報(bào)文的ID比自己的ID大，就丟棄此報(bào)文；如果收到自己的報(bào)文，說明自己為根節(jié)點(diǎn)，表明有環(huán)，阻塞自己一個(gè)端口，定時(shí)發(fā)送hello報(bào)文。
?。?）根節(jié)點(diǎn)環(huán)路檢測(cè)。根節(jié)點(diǎn)定時(shí)從兩個(gè)級(jí)聯(lián)端口發(fā)送hello報(bào)文來檢測(cè)環(huán)路健康狀況。若根節(jié)點(diǎn)能收到自己的hello報(bào)文，則表明環(huán)路是完整的；如果在wait-timer內(nèi)收不到hello報(bào)文，就認(rèn)為環(huán)網(wǎng)發(fā)生鏈路故障。
?。?）故障發(fā)現(xiàn)。若設(shè)備或鏈路發(fā)生故障，與故障鏈路相連的端口置為阻塞狀態(tài)。根節(jié)點(diǎn)收不到自己發(fā)出的hello報(bào)文，wait-timer超時(shí)，表明環(huán)路不完整，出現(xiàn)故障，根節(jié)點(diǎn)把之前阻塞的端口打開，同時(shí)發(fā)送flush報(bào)文，通知其他傳輸節(jié)點(diǎn)更新地址轉(zhuǎn)發(fā)表。傳輸節(jié)點(diǎn)收到根節(jié)點(diǎn)的flush報(bào)文后，刷新地址轉(zhuǎn)發(fā)表，重新進(jìn)行地址學(xué)習(xí)。
?。?）故障恢復(fù)。故障消除后，根節(jié)點(diǎn)重新收到自己發(fā)出的hello報(bào)文，表明環(huán)路存在，根節(jié)點(diǎn)阻塞自己一個(gè)級(jí)聯(lián)端口。由于拓?fù)浒l(fā)生變化，根節(jié)點(diǎn)發(fā)出flush報(bào)文，通知其他交換節(jié)點(diǎn)刷新地址表，與恢復(fù)鏈路相連的兩端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
?。?）根節(jié)點(diǎn)失效檢測(cè)。若根節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，傳輸節(jié)點(diǎn)收不到hello報(bào)文，wait-timer超時(shí)，各傳輸節(jié)點(diǎn)均阻塞端口，開始發(fā)送hello報(bào)文，重新選出一個(gè)根節(jié)點(diǎn)。
　圖1描述了RRP算法的實(shí)現(xiàn)過程。圖1（a）中各節(jié)點(diǎn)向兩個(gè)方向發(fā)送hello報(bào)文。圖1（b）中由于B1的ID最小，被選為根節(jié)點(diǎn)，（B1，P1）阻塞，環(huán)路消除。圖1（c）中節(jié)點(diǎn)B3和B4間發(fā)生故障，（B3，P1）和（B4，P0）阻塞，根節(jié)點(diǎn)收不到hello報(bào)文，wait-timer超時(shí)，（B1，P1）置為轉(zhuǎn)發(fā)，并向兩方向發(fā)送flush報(bào)文。圖1（d）中各節(jié)點(diǎn)收到flush報(bào)文后，刷新地址表，B1定時(shí)發(fā)送hello報(bào)文。圖1（e）中節(jié)點(diǎn)B3和B4間故障修復(fù)，（B3，P1）和（B4，P0）仍保持阻塞，B1收到自己的hello報(bào)文，意識(shí)到環(huán)路的存在，重新阻塞端口（B1，P1），并向兩方向發(fā)送flush報(bào)文。圖1（f）中節(jié)點(diǎn)B3和B4收到根節(jié)點(diǎn)的flush報(bào)文后，把（B3，P1）和（B4，P0）置為轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)，根節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送hello報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲匦率諗俊?/p>

2.2 RRP算法的硬件實(shí)現(xiàn)
　本文基于穩(wěn)定拓?fù)涞囊蕴h(huán)網(wǎng)保護(hù)切換方案定義了2種端口狀態(tài)、9種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和8類事件，使用狀態(tài)機(jī)可以靈活實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和事件的處理。
?。?）端口狀態(tài)
　PS0：阻塞，端口只處理協(xié)議控制報(bào)文，不接收或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，不進(jìn)行地址學(xué)習(xí)；
　PS1：轉(zhuǎn)發(fā)，端口接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，處理協(xié)議控制報(bào)文，開始地址學(xué)習(xí)。
?。?）節(jié)點(diǎn)狀態(tài)
　S0：IDLE，環(huán)上端口阻塞；    
　S1：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)阻塞，未成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送flush報(bào)文；
　S2：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)阻塞，成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送flush報(bào)文；
　S3：非根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口轉(zhuǎn)發(fā)；
　S4：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)阻塞，未成環(huán)狀態(tài)；
　S5：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)阻塞，成環(huán)狀態(tài)；
　S6：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)阻塞，未成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送hello報(bào)文；
　S7：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)阻塞，成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送hello報(bào)文；
　S8：根節(jié)點(diǎn)，環(huán)上端口阻塞，發(fā)送hello報(bào)文。
　（3）事件
　E1：收到低優(yōu)先級(jí)的hello報(bào)文；    
　E2：收到同優(yōu)先級(jí)的hello報(bào)文；
　E3：收到高優(yōu)先級(jí)的hello報(bào)文；    
　E4：收到flush報(bào)文；
　E5：hello-timer超時(shí)；        
　E6：wait-timer超時(shí)；
　E7：flush報(bào)文發(fā)送完畢；            
　E8：hello報(bào)文發(fā)送完畢。
　（4）RRP算法的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

　交換機(jī)將收到的RRP報(bào)文存放在緩沖隊(duì)列中，有高優(yōu)先級(jí)、低優(yōu)先級(jí)和同優(yōu)先級(jí)3種類型。接收?qǐng)?bào)文的同時(shí)，計(jì)時(shí)器超時(shí)事件也可能同時(shí)發(fā)生，對(duì)于發(fā)生的組合事件，需要判斷事件優(yōu)先級(jí)再進(jìn)行相應(yīng)處理。報(bào)文處理模塊將要發(fā)送的RRP報(bào)文寫入端口的FIFO中，同時(shí)控制地址轉(zhuǎn)發(fā)表的刷新、端口的阻塞和轉(zhuǎn)發(fā)控制。
兩個(gè)計(jì)時(shí)器的值可調(diào)，其中hello-timer設(shè)為10 ms，wait-timer設(shè)為20 ms。Modelsim仿真結(jié)果表明，消除數(shù)據(jù)環(huán)路的時(shí)間和單點(diǎn)故障后的保護(hù)切換時(shí)間均在40 ms內(nèi)。Synplify綜合結(jié)果表明，在150萬門的芯片上實(shí)現(xiàn)該算法需要占用2%的資源。這說明RRP能夠提供快速的保護(hù)切換能力且開銷小。
　報(bào)文處理模塊的狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

　局域網(wǎng)中的冗余鏈路提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性，但引起了數(shù)據(jù)環(huán)路。本文在分析傳統(tǒng)STP算法缺點(diǎn)及其原因的基礎(chǔ)上，提出了一種快速環(huán)路保護(hù)方法，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，可提供毫秒級(jí)的保護(hù)切換。該算法已用硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該算法能夠提供快速的保護(hù)倒換能力且開銷小，具有良好的應(yīng)用前景。
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