摘  要： 在STP基礎(chǔ)上提出了一種快速的環(huán)路保護算法。該算法能夠提供毫秒級的環(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現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 冗余鏈路；環(huán)路保護；STP

　交換式以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用到工廠、煤礦、電力等場所。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，消除了由于單點故障而引起的網(wǎng)絡(luò)中斷，但同時形成數(shù)據(jù)環(huán)路，會引發(fā)二層交換網(wǎng)絡(luò)的廣播風暴，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)路保護技術(shù)應(yīng)運而生。生成樹協(xié)議STP（IEEE 802.1D，Spanning Tree Protocol）通過阻塞冗余端口進行鏈路備份，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），其收斂時間為秒級[2]。
　本文在分析STP這種主流的環(huán)路保護技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了快速環(huán)路保護技術(shù)（RRP）。針對環(huán)型拓撲，RRP克服了傳統(tǒng)STP自愈時間長的缺點，可達到毫秒級的網(wǎng)絡(luò)自愈時間，而且復(fù)雜度低，便于實現(xiàn)。
1 生成樹工作原理及其缺點
　STP是將一個存在物理環(huán)路的交換網(wǎng)絡(luò)變成一個沒有環(huán)路的邏輯樹型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在邏輯上裁剪冗余環(huán)路，同時在物理上實現(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)拓撲變化。STP算法步驟如下：
?。?）選舉根節(jié)點。擁有最小標識的節(jié)點將成為根節(jié)點。選舉過程開始時，所有節(jié)點都聲明自己是根。當節(jié)點的一個端口收到高優(yōu)先級的Config-BPDU時，就在該端口保存這些信息，同時向所有端口更新并傳播信息。如果收到比自己低優(yōu)先級的Config-BPDU，節(jié)點就丟棄該信息。根節(jié)點的所有端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
?。?）確定根端口。對每個非根節(jié)點，選擇一個到根節(jié)點路徑最短的端口作為此節(jié)點的根端口。所有根端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
　（3）確定指定端口。多個節(jié)點連接到同一網(wǎng)段時，代價最小的節(jié)點被稱為指定節(jié)點，取指定節(jié)點在此網(wǎng)段上的一個端口作為指定端口。指定端口通過逐個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)。
?。?）等待拓撲變化。若根節(jié)點故障，其余各節(jié)點的每個端口都收不到Config-BPDU數(shù)據(jù)包，則等待Config-BPDU數(shù)據(jù)包的計時器都超時，都認為自己是根節(jié)點，開始重新構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)步驟（1）~（3）。
通過對STP工作原理的分析，找到STP自愈時間長的幾個原因：
　（1）每個節(jié)點端口角色確定復(fù)雜。節(jié)點有根端口、指定端口和阻塞端口3種角色。各節(jié)點的端口不停地發(fā)送和接收Config-BPDU。每個端口根據(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Forward Delay Time才能進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
　（2）根節(jié)點沒有主動的故障偵測能力，這導(dǎo)致STP對拓撲結(jié)構(gòu)的改變響應(yīng)緩慢。拓撲變化時，發(fā)現(xiàn)拓撲變化的節(jié)點向根節(jié)點方向發(fā)送Tcn-BPDU，通告過程中存在多次應(yīng)答，等到根節(jié)點收到Tcn-BPDU后發(fā)送攜帶拓撲改變標志位的Config-BPDU，通知其他節(jié)點刷新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Forward Delay Time才能進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
2 RRP算法設(shè)計及實現(xiàn)
　交換機端口對數(shù)據(jù)的處理無非是丟棄或轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以將交換機端口狀態(tài)分為阻塞和轉(zhuǎn)發(fā)兩種。根交換節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的邏輯中心而非物理中心，為了提高拓撲改變的反應(yīng)速度，根交換節(jié)點需要自發(fā)故障檢測，而不依賴其他交換節(jié)點的故障通告。
2.1 快速環(huán)路保護算法（RRP）
　（1）選擇根節(jié)點。根節(jié)點是環(huán)網(wǎng)狀態(tài)主動檢測機制的發(fā)起者，也是網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生改變后執(zhí)行操作的決策者。初始時，各交換節(jié)點在hello-timer的作用下定時從兩個級聯(lián)端口發(fā)送環(huán)路健康檢測報文，即hello報文，交換節(jié)點收到報文后，進行優(yōu)先級判斷，選擇出根交換機，ID越小，優(yōu)先級越高。如果收到報文的ID比自己的ID小，表明自己為傳輸節(jié)點，從另一端口轉(zhuǎn)發(fā)收到的報文，自己不再發(fā)送hello報文；如果收到報文的ID比自己的ID大，就丟棄此報文；如果收到自己的報文，說明自己為根節(jié)點，表明有環(huán)，阻塞自己一個端口，定時發(fā)送hello報文。
?。?）根節(jié)點環(huán)路檢測。根節(jié)點定時從兩個級聯(lián)端口發(fā)送hello報文來檢測環(huán)路健康狀況。若根節(jié)點能收到自己的hello報文，則表明環(huán)路是完整的；如果在wait-timer內(nèi)收不到hello報文，就認為環(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)點收不到自己發(fā)出的hello報文，wait-timer超時，表明環(huán)路不完整，出現(xiàn)故障，根節(jié)點把之前阻塞的端口打開，同時發(fā)送flush報文，通知其他傳輸節(jié)點更新地址轉(zhuǎn)發(fā)表。傳輸節(jié)點收到根節(jié)點的flush報文后，刷新地址轉(zhuǎn)發(fā)表，重新進行地址學習。
?。?）故障恢復(fù)。故障消除后，根節(jié)點重新收到自己發(fā)出的hello報文，表明環(huán)路存在，根節(jié)點阻塞自己一個級聯(lián)端口。由于拓撲發(fā)生變化，根節(jié)點發(fā)出flush報文，通知其他交換節(jié)點刷新地址表，與恢復(fù)鏈路相連的兩端口置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
?。?）根節(jié)點失效檢測。若根節(jié)點發(fā)生故障，傳輸節(jié)點收不到hello報文，wait-timer超時，各傳輸節(jié)點均阻塞端口，開始發(fā)送hello報文，重新選出一個根節(jié)點。
　圖1描述了RRP算法的實現(xiàn)過程。圖1（a）中各節(jié)點向兩個方向發(fā)送hello報文。圖1（b）中由于B1的ID最小，被選為根節(jié)點，（B1，P1）阻塞，環(huán)路消除。圖1（c）中節(jié)點B3和B4間發(fā)生故障，（B3，P1）和（B4，P0）阻塞，根節(jié)點收不到hello報文，wait-timer超時，（B1，P1）置為轉(zhuǎn)發(fā)，并向兩方向發(fā)送flush報文。圖1（d）中各節(jié)點收到flush報文后，刷新地址表，B1定時發(fā)送hello報文。圖1（e）中節(jié)點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報文，意識到環(huán)路的存在，重新阻塞端口（B1，P1），并向兩方向發(fā)送flush報文。圖1（f）中節(jié)點B3和B4收到根節(jié)點的flush報文后，把（B3，P1）和（B4，P0）置為轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)，根節(jié)點定時發(fā)送hello報文。網(wǎng)絡(luò)拓撲重新收斂。

2.2 RRP算法的硬件實現(xiàn)
　本文基于穩(wěn)定拓撲的以太環(huán)網(wǎng)保護切換方案定義了2種端口狀態(tài)、9種節(jié)點狀態(tài)和8類事件，使用狀態(tài)機可以靈活實現(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)議控制報文，不接收或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，不進行地址學習；
　PS1：轉(zhuǎn)發(fā)，端口接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，處理協(xié)議控制報文，開始地址學習。
　（2）節(jié)點狀態(tài)
　S0：IDLE，環(huán)上端口阻塞；    
　S1：根節(jié)點，環(huán)上端口一個轉(zhuǎn)發(fā)，一個阻塞，未成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送flush報文；
　S2：根節(jié)點，環(huán)上端口一個轉(zhuǎn)發(fā)，一個阻塞，成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送flush報文；
　S3：非根節(jié)點，環(huán)上端口轉(zhuǎn)發(fā)；
　S4：根節(jié)點，環(huán)上端口一個轉(zhuǎn)發(fā)，一個阻塞，未成環(huán)狀態(tài)；
　S5：根節(jié)點，環(huán)上端口一個轉(zhuǎn)發(fā)，一個阻塞，成環(huán)狀態(tài)；
　S6：根節(jié)點，環(huán)上端口一個轉(zhuǎn)發(fā)，一個阻塞，未成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送hello報文；
　S7：根節(jié)點，環(huán)上端口一個轉(zhuǎn)發(fā)，一個阻塞，成環(huán)狀態(tài)，發(fā)送hello報文；
　S8：根節(jié)點，環(huán)上端口阻塞，發(fā)送hello報文。
?。?）事件
　E1：收到低優(yōu)先級的hello報文；    
　E2：收到同優(yōu)先級的hello報文；
　E3：收到高優(yōu)先級的hello報文；    
　E4：收到flush報文；
　E5：hello-timer超時；        
　E6：wait-timer超時；
　E7：flush報文發(fā)送完畢；            
　E8：hello報文發(fā)送完畢。
?。?）RRP算法的實現(xiàn)框圖如圖2所示。

　交換機將收到的RRP報文存放在緩沖隊列中，有高優(yōu)先級、低優(yōu)先級和同優(yōu)先級3種類型。接收報文的同時，計時器超時事件也可能同時發(fā)生，對于發(fā)生的組合事件，需要判斷事件優(yōu)先級再進行相應(yīng)處理。報文處理模塊將要發(fā)送的RRP報文寫入端口的FIFO中，同時控制地址轉(zhuǎn)發(fā)表的刷新、端口的阻塞和轉(zhuǎn)發(fā)控制。
兩個計時器的值可調(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)路的時間和單點故障后的保護切換時間均在40 ms內(nèi)。Synplify綜合結(jié)果表明，在150萬門的芯片上實現(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切換能力且開銷小。
　報文處理模塊的狀態(tài)機如圖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算法缺點及其原因的基礎(chǔ)上，提出了一種快速環(huán)路保護方法，其實現(xiàn)復(fù)雜度低，可提供毫秒級的保護切換。該算法已用硬件實現(xiàn)，實驗表明，該算法能夠提供快速的保護倒換能力且開銷小，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] IEEE 802．1D 2004. Media Access Control （MAC）Bridges[S]. 2003．
[2] IEEE Std 802．1W 2001. Media Access Control（MAC）Bridges Amendment 2：Rapid Reconfiguration[S]. 2001．
[3] 宋燁，朱杰.STP協(xié)議實驗測試與仿真測試的比較和研究[J].電子測量技術(shù)，2007，30（5）：129-132.
[4] 沈一波，石旭剛，張勝，等.基于穩(wěn)定拓撲的以太環(huán)網(wǎng)保護[J].微型機與應(yīng)用，2009，28（21）：53-56.
[5] 吉萌，詹翊春，余少華.以太環(huán)網(wǎng)的路徑保護和恢復(fù)算法的研究和實現(xiàn)[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2006，27（4）：596-599.