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摘 要：简要介绍了生成树协议基本概念及算法过程，同时阐述以太交换机的原理，并就生成树在广州地铁五号线SDH以太业务中的应用进行介绍。生成树协议有效的抑制广播风暴，使五号线SDH以太业务更加稳定，可靠性、安全性大大增强。
关键词：生成树；SDH；以太网；交换机
中图分类号：TP273.5
在二层交换设备组成的网络中，为保证可靠性，有必要设置迂回路由，但易形成广播风暴。为避免广播风暴，使设置了迂回路由的二层交换网络能正常工作，就有必要对路径进行“修剪”（Prunning），断开迂回，使数据不能沿着迂回路由回到发送设备，而在正常通信路径出现故障后，系统又能自动倒换至迂回路径上通信，具备这种功能的技术就是Spanning Tree，其协议就是STP（Spanning-Tree Protocol）。
在广州地铁五号线SDH传输网络中，由于OA、AFC、CCTV、各网管信息等业务的通道拓扑各自都是一个独立的环，具备迂回路径，为使数据能正确传送，必须在传输设备上配置STP。当前在传输设备设置的STP是基于802.1Q的PVSTP（PerVlan STP）。
1 生成树协议介绍
在以太網中，通常会设多个交换设备，并在交换设备之间建立多个连接来提供链路的冗余性，但是这有可能是网络中产生环路。要在提供冗余的同时防止产生环路，我们可以使用生成树协议来解决这个问题。
生成树协议是由Sun微系统公司著名工程师拉迪亚·珀尔曼博士（Radia Perlman）发明的[1]。STP能够自动发现冗余网络拓扑中的环路，保留一条最佳链路做转发链路，塞其他冗余链路，并且在网络拓扑结构发生变化的情况下重新计算，保证所有网段的可达且无环路。
1.1 生成树的算法过程
生成树协议的算法过程可以归纳为三个步骤：选择根网桥、选择根端口、选择指定端口。
（1）选择根桥。在二层网络中比较网桥的桥ID值，值最小的网桥被选为根桥；（2）选择根端口。就是在每个非根桥上选择根端口。首先，比较根路径开销，根路径开销取决于链路的带宽，带宽越大，路径成本越低，路径开销最低者为根端口。其次，如果根路径开销相同，则要比较所在对端交换机桥ID值，值最小者为根端口。最后，如果两端口交换机桥ID值相同，则比较端口的ID值，值最小的被选为根端口；（3）选择指定端口。在每条链路上选择一个指定端口，而根桥上所有端口都是指定端口。选择指定端口的顺序如下，首先比较根路径开销，其次比较端口所在网桥的ID值，最后比较端口的ID值。
1.2 端口状态
交换机的端口在STP环境中共有5种状态：阻塞、侦听、学习、转发、关闭。交换机上一个原来被阻塞掉的端口由于在最大老化时间（20秒）内没有收到BPDU，从阻塞状态转变为侦听状态，侦听状态经过一个转发延迟（15秒）到达学习状态，经过一个转发延迟（15秒）的MAC地址学习过程后进入转发状态。如果转为侦听状态后发现本端口在新的生成树中不应该由此端口转发数据则直接回到阻塞状态。
1.3 收敛时间
对于运行STP的交换机来说，收敛状态意味着网络链路稳定，没有拓扑结构发生变化。当网络拓扑发生变化时，交换机必须重新计算生成树，在新的生成树没有完全计算、生成之前，为了防止临时环路的产生，所有链路都不转发数据。从发现状态改变到新的生成树计算完成的这段时间叫做收敛时间，通常为50秒左右。
由于标准STP的收敛时间较长，导致很多应用在切换过程中受影响。针对这个问题提出了RSTP（IEEE 802.1w）协议，即快速生成树，可以显著减少收敛时间。
2 SDH虚拟交换机介绍
2.1 以太网交换机原理
以太网交换机工作于OSI网络参考模型的第二层（即数据链路层），是一种基于MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址识别、完成以太网数据帧转发的网络设备[2]。
每一台交换机或网络适配器的都具有一个MAC地址，由IEEE注册管理机构负责分配，每个MAC地址都是全球唯一的。MAC地址是长度为48位的二进制，前24位是设备生产厂商标识符，由IEEE负责分配，后24位由生产厂商自行分配的序列号。交换机在端口上接收用户发送的数据帧，根据帧头的目的MAC地址查找MAC地址表然后将该数据帧从对应端口上转发出去，从而实现数据交换。
以太交换机的三个主要功能为：地址学习功能、转发和过滤功能、环路避免功能。
（1）地址学习功能。当物理网段与以太网交换机进行连接时，交换机对它监测到的所有帧进行检查，读取帧的源MAC地址字段后与接收端口关联并记录到MAC地址表中，并储存在缓存中；（2）转发和过滤功能。当从一个端口接收到数据帧后，其目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到MAC地址表中有对应的端口而不是所有端口。如该数据帧为广播/组播帧，或者目的MAC地址没有MAC地址表中时，则转发至所有端口；（3）环路避免功能。当网络中包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时在节点故障时重新计算路径，达到冗余目的。
2.2 SDH虚拟交换机配置模型
在SDH传输设备上配置的二层交换机称作虚拟交换机（Visual Bridge，缩写VB），一块以太网板可以配置多个虚拟交换机。在五号线SDH中，以太网业务共享环的中间节点，一个虚拟交换机配置两个物理以太网端口及二个系统端口，在末端节点处（如综合楼），一个虚拟交换机配置两个物理以太网端口及一个系统端口。
以下图1、图2是五号线SDH设备OA业务虚拟交换机配置模型：
图1 中间节点VB 图2 综合楼VB
其中1001、1003、1004端口是系统端口（ETHRemPort）。首先，系统自动将它们对应着SDH网元中以太板（ISA板）的系统端口（1、2、3、……），如图1，然后通过SDH TDM（Time Division Multiplexing）时隙交叉连接（Corss-connect）连接至光路，1003端口连接至一个方向的光路，1004端口连接至另一个方向的光路，这就是以太网业务通道之所以能够形成逻辑环的原因。同样地，1001端口连接至光路。 2.3 虚拟交换机端口状态
SDH以太网板上配置的虚拟交换机，具备物理二层交换机具备的功能。其端口，不论是系统端口还是本地端口，均可想像成物理交换机的交换端口，端口状态有：阻塞（blocking）、监听（listening）、学习（learning）、转发（forwarding）、关闭（disable），其中监听（listening）、学习（learning）为过渡态，阻塞blocking、转发forwarding、关闭（disable）为稳定态。在稳定状态下，本地端口及系统端口可能的工作状态如表1所示。
表1 虚拟交换机端口稳定状态表
端口类型 端口角色
（Port Role） 端口工作状态 功能 STP节点类型 备注
本地端口 designated forwarding 数据包转发 根节点/非根节点/断点节点 与外设备相连
disable disable 不工作 没有连线或人为将端口down掉
系统端口 root forwarding 数据包转发 非根节点/断点节点 指向根节点方向
designated forwarding 数据包转发 根节点/非根节点/ 指向根节点相反方向
alternate blocking 不转发数据包 断点节点 STP断点
3 生成树在SDH中的应用
在五号线SDH传输设备以太网业务共享环中，所有节点优先级均为缺省值32678（215=32768），所有节点间连接的路径开销一样（均为19，因链路带宽均相同）。因此，MAC最小的节点将选定为根节点，离根最远的节点端口将处于阻塞状态。以OA业务为例，综合楼MAC地址最小，它被选择为根节点。五羊邨及大沙地到达根节点的距离一样最远，但因五羊邨MAC地址比大沙地的高，因此位于五羊邨的系统端口1003被选定为STP断点（即阻塞状态）。
生成树工作状态检查的内容有：各节点系统端口的角色及工作状态、本地端口的工作状态、以太网业务共享环根节点和断点的位置以及它们是否唯一。
4 结束语
五号线SDH以太网中开启生成树协议，有效的抑制广播风暴，使网络更加稳定，可靠性、安全性会大大增强。而深入了解生成树协议基本概念、认识其算法过程及收敛时间等知识，为更好维护五号线SDH以太业务稳定性和快速判断故障打下良好基础。
参考文献：
[1]王远波.朔黄铁路网络系统研究与设计[D].北京交通大学，2007.
[2]吕斌.交换机原理及应用[J].电脑知识与技术，2009（10）.
作者簡介：刘伟杰（1987-），男，广东清远人，初级工程师，本科，主要研究方向：城市轨道交通通信。
作者单位：广州市地下铁道总公司运营事业总部，广州 510308
关键词：生成树；SDH；以太网；交换机
中图分类号：TP273.5
在二层交换设备组成的网络中，为保证可靠性，有必要设置迂回路由，但易形成广播风暴。为避免广播风暴，使设置了迂回路由的二层交换网络能正常工作，就有必要对路径进行“修剪”（Prunning），断开迂回，使数据不能沿着迂回路由回到发送设备，而在正常通信路径出现故障后，系统又能自动倒换至迂回路径上通信，具备这种功能的技术就是Spanning Tree，其协议就是STP（Spanning-Tree Protocol）。
在广州地铁五号线SDH传输网络中，由于OA、AFC、CCTV、各网管信息等业务的通道拓扑各自都是一个独立的环，具备迂回路径，为使数据能正确传送，必须在传输设备上配置STP。当前在传输设备设置的STP是基于802.1Q的PVSTP（PerVlan STP）。
1 生成树协议介绍
在以太網中，通常会设多个交换设备，并在交换设备之间建立多个连接来提供链路的冗余性，但是这有可能是网络中产生环路。要在提供冗余的同时防止产生环路，我们可以使用生成树协议来解决这个问题。
生成树协议是由Sun微系统公司著名工程师拉迪亚·珀尔曼博士（Radia Perlman）发明的[1]。STP能够自动发现冗余网络拓扑中的环路，保留一条最佳链路做转发链路，塞其他冗余链路，并且在网络拓扑结构发生变化的情况下重新计算，保证所有网段的可达且无环路。
1.1 生成树的算法过程
生成树协议的算法过程可以归纳为三个步骤：选择根网桥、选择根端口、选择指定端口。
（1）选择根桥。在二层网络中比较网桥的桥ID值，值最小的网桥被选为根桥；（2）选择根端口。就是在每个非根桥上选择根端口。首先，比较根路径开销，根路径开销取决于链路的带宽，带宽越大，路径成本越低，路径开销最低者为根端口。其次，如果根路径开销相同，则要比较所在对端交换机桥ID值，值最小者为根端口。最后，如果两端口交换机桥ID值相同，则比较端口的ID值，值最小的被选为根端口；（3）选择指定端口。在每条链路上选择一个指定端口，而根桥上所有端口都是指定端口。选择指定端口的顺序如下，首先比较根路径开销，其次比较端口所在网桥的ID值，最后比较端口的ID值。
1.2 端口状态
交换机的端口在STP环境中共有5种状态：阻塞、侦听、学习、转发、关闭。交换机上一个原来被阻塞掉的端口由于在最大老化时间（20秒）内没有收到BPDU，从阻塞状态转变为侦听状态，侦听状态经过一个转发延迟（15秒）到达学习状态，经过一个转发延迟（15秒）的MAC地址学习过程后进入转发状态。如果转为侦听状态后发现本端口在新的生成树中不应该由此端口转发数据则直接回到阻塞状态。
1.3 收敛时间
对于运行STP的交换机来说，收敛状态意味着网络链路稳定，没有拓扑结构发生变化。当网络拓扑发生变化时，交换机必须重新计算生成树，在新的生成树没有完全计算、生成之前，为了防止临时环路的产生，所有链路都不转发数据。从发现状态改变到新的生成树计算完成的这段时间叫做收敛时间，通常为50秒左右。
由于标准STP的收敛时间较长，导致很多应用在切换过程中受影响。针对这个问题提出了RSTP（IEEE 802.1w）协议，即快速生成树，可以显著减少收敛时间。
2 SDH虚拟交换机介绍
2.1 以太网交换机原理
以太网交换机工作于OSI网络参考模型的第二层（即数据链路层），是一种基于MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址识别、完成以太网数据帧转发的网络设备[2]。
每一台交换机或网络适配器的都具有一个MAC地址，由IEEE注册管理机构负责分配，每个MAC地址都是全球唯一的。MAC地址是长度为48位的二进制，前24位是设备生产厂商标识符，由IEEE负责分配，后24位由生产厂商自行分配的序列号。交换机在端口上接收用户发送的数据帧，根据帧头的目的MAC地址查找MAC地址表然后将该数据帧从对应端口上转发出去，从而实现数据交换。
以太交换机的三个主要功能为：地址学习功能、转发和过滤功能、环路避免功能。
（1）地址学习功能。当物理网段与以太网交换机进行连接时，交换机对它监测到的所有帧进行检查，读取帧的源MAC地址字段后与接收端口关联并记录到MAC地址表中，并储存在缓存中；（2）转发和过滤功能。当从一个端口接收到数据帧后，其目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到MAC地址表中有对应的端口而不是所有端口。如该数据帧为广播/组播帧，或者目的MAC地址没有MAC地址表中时，则转发至所有端口；（3）环路避免功能。当网络中包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时在节点故障时重新计算路径，达到冗余目的。
2.2 SDH虚拟交换机配置模型
在SDH传输设备上配置的二层交换机称作虚拟交换机（Visual Bridge，缩写VB），一块以太网板可以配置多个虚拟交换机。在五号线SDH中，以太网业务共享环的中间节点，一个虚拟交换机配置两个物理以太网端口及二个系统端口，在末端节点处（如综合楼），一个虚拟交换机配置两个物理以太网端口及一个系统端口。
以下图1、图2是五号线SDH设备OA业务虚拟交换机配置模型：
图1 中间节点VB 图2 综合楼VB
其中1001、1003、1004端口是系统端口（ETHRemPort）。首先，系统自动将它们对应着SDH网元中以太板（ISA板）的系统端口（1、2、3、……），如图1，然后通过SDH TDM（Time Division Multiplexing）时隙交叉连接（Corss-connect）连接至光路，1003端口连接至一个方向的光路，1004端口连接至另一个方向的光路，这就是以太网业务通道之所以能够形成逻辑环的原因。同样地，1001端口连接至光路。 2.3 虚拟交换机端口状态
SDH以太网板上配置的虚拟交换机，具备物理二层交换机具备的功能。其端口，不论是系统端口还是本地端口，均可想像成物理交换机的交换端口，端口状态有：阻塞（blocking）、监听（listening）、学习（learning）、转发（forwarding）、关闭（disable），其中监听（listening）、学习（learning）为过渡态，阻塞blocking、转发forwarding、关闭（disable）为稳定态。在稳定状态下，本地端口及系统端口可能的工作状态如表1所示。
表1 虚拟交换机端口稳定状态表
端口类型 端口角色
（Port Role） 端口工作状态 功能 STP节点类型 备注
本地端口 designated forwarding 数据包转发 根节点/非根节点/断点节点 与外设备相连
disable disable 不工作 没有连线或人为将端口down掉
系统端口 root forwarding 数据包转发 非根节点/断点节点 指向根节点方向
designated forwarding 数据包转发 根节点/非根节点/ 指向根节点相反方向
alternate blocking 不转发数据包 断点节点 STP断点
3 生成树在SDH中的应用
在五号线SDH传输设备以太网业务共享环中，所有节点优先级均为缺省值32678（215=32768），所有节点间连接的路径开销一样（均为19，因链路带宽均相同）。因此，MAC最小的节点将选定为根节点，离根最远的节点端口将处于阻塞状态。以OA业务为例，综合楼MAC地址最小，它被选择为根节点。五羊邨及大沙地到达根节点的距离一样最远，但因五羊邨MAC地址比大沙地的高，因此位于五羊邨的系统端口1003被选定为STP断点（即阻塞状态）。
生成树工作状态检查的内容有：各节点系统端口的角色及工作状态、本地端口的工作状态、以太网业务共享环根节点和断点的位置以及它们是否唯一。
4 结束语
五号线SDH以太网中开启生成树协议，有效的抑制广播风暴，使网络更加稳定，可靠性、安全性会大大增强。而深入了解生成树协议基本概念、认识其算法过程及收敛时间等知识，为更好维护五号线SDH以太业务稳定性和快速判断故障打下良好基础。
参考文献：
[1]王远波.朔黄铁路网络系统研究与设计[D].北京交通大学，2007.
[2]吕斌.交换机原理及应用[J].电脑知识与技术，2009（10）.
作者簡介：刘伟杰（1987-），男，广东清远人，初级工程师，本科，主要研究方向：城市轨道交通通信。
作者单位：广州市地下铁道总公司运营事业总部，广州 510308