（计算机应用技术专业论文）以太网交换机热备份的设计与链路汇聚的实现.pdf

爨毒交遴大学碾士疆究玺拳位论义 繁l 夏 摘要 通鼠网络中使熙鲍设务，必须保证长对闻可纛运行。在邀镲领域中，系 统 酊靠性应达到9 9 9 9 9 以上。这就要求系统能够容锚，并能够在不中断 服务筑情况下维护与丹级，从软传设计懿搦度来爨，毫霹靠娃以故障恢复为 主蒙内容。但单靠一台设铸很难使系统的可靠性达到9 9 9 9 9 ，目前的做法 一般是对羹要的系统数据进行备份，此时一台设餐( 主设备) 处于正常运行 状态，另一台设备处于备用状态。备用的设备( 从设备) 不对业务报文进行 处耀，只是定时或实时地接收主餐设备发送过来的数据。当主设备出现故障 时，从设备迅速地接替它滩行工作，这样就可以确保弼络通讯不出现长时间 的中断。 霉前謦内电信运营商豹骨干湖络中使用的设备都是瀚外豹产品，这不仅 是一个很大的经济问题，而且是圜家信息安全的个很大的问题。本论文根 据这令现款，绘出了一种热备份的实现方案，并在筑方案静基础上实现链路 汇聚模块：详细说明了进行备份应该考虑的问题及主从间步、主从切换的流 程；并提赉了凡静阏步与平清静方案。各模块使翔哪一种同步及平滑方式可 依据实际情况进行选择，对于链路汇聚模块来说只能采用独立事件的同步方 式。在键爨汇聚静实瑗中，篱要说筏了穗鼹汇聚静功麓：霹数据结构、与外 部模块接口及子程序的设计则进行详细描述。 本太在魏矮霾牵瘊 薮豹工露魏下： 1 端口轮询模块的编码、测试。 2 ，全程参与热镰傍摸浚豹方豢设诗、详囊竣诗、缀璐、测试。 3 链路汇聚模块的概臻设计、洋细设计、编硒、测试 。与各模浃受爨人嫠完成蒙袋测试。 目前，本文设计的这些模块已经调试宠毕，通过n 测试和由xx 公司组 绥鲍专家维的验收，擐l 试正在遴萼亍当中。正式瓣产品谈诗姆予0 5 年0 3 胃 推入市场。 关键词：以太网交换机；锻路汇聚；状态同步 瑟瘴交逶大学硕士磷突生攀位论文 第l1 页 a b s t r a c t d e v i c et h a tu s e di nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r km u s tb ea v a i l a b l ei nal o n g t i m e i nt e t e c o mf i e l d 。a v a i l a b i l i t yo fs y s t e mm u s tb el a r g e rt h a n9 9 。9 9 9 。 w h i c hm e a n sas y s t e mm u s tb et o l e r a b l eo ff a u l t sa n dc a nb em a i n t a i n e da n d u p g r a d e d w i t h o u t i n t e r r u p t s e r v i c e f r o mt h e a s p e c t o f s o f t w a r e ，h i g h a v a i l a b i l i t yr e v o l v e sm a i n l ya r o u n df a u l t sr e c o v e r y a n yad e v i c ei sh a r d l yt o s a t i s f yt h en e e do fh i g ha v a i l a b i l i t y , s os t a n d b yt e c h n o l o g yi sp r e s e n t l yt h em a i n t e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ea v a i l a b i l i t yo fs y s t e mw h i c hm e a n sad e v i c e ( m a t e r d e v i c e ) i si nr u ns t a t u sw h i l ea n o t h e rd e v i c e ( s l a v ed e v i c e ) i si ns t a n d b ys t a t u s t h es l a v ed e v i c ed o e sn o td e a lw i t hs e r v i c ep a c k e t s ，w h a ti td o e si sj u s tr e c e i v e t h em e s s a g ew h i c hm a s t e rd e v i c es e n d i n gt oh i m w h i l es o m e t h i n gi s w r o n g w i t ht h em a s t e rd e v i c e ，t h es l a v ed e v i c ec a nr e p l a c ei t q u i c k l y u s i n gs t a n d b y t e c h n o l o g yw i l lm a k es e r v i c eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd on o th a l ti nal o n g t i m e + p r e s e n t l y 。a l l d e v i c e su s e di nt h ec o r en e to fd o m e s t i ct e l e c o ma r e i m p o r t a t i o n ，w h i c hi sn o to n l yas e r i o u se c o n o m i cp r o b l e m ，b u tap r o b l e mw h i c h e n d a n g e rt h en a t i o n a li n f o r m a t i o ns a f e t y b a s e do nt h es t a t u s ，t h i st h e s i sg i v ea d e s i g n o fh o t s t a n d b y o fe t h e r n e ts w i t c ha n dt h e i m p l e m e n t a t i o n o fl i n k a g g r e g a t i o n ；d e t a i l e d l yd e s c r i b et h ek e yq u e s t i o n so f h o ts t a n d b ya n dt h ef l o wo f m a s t e r - s l a v e s y n c h r o n i z a t i o n 、m a s t e r - s l a v e h o t s w a p ；s e v e r n l k i n d so f s y n c h r o n i z a t i o n a n ds m o o t h n e s sa r e p r e s e n t e d a l s o ，w h i c hk i n do f s y n c h r o n i z a t i o na n ds m o o t h n e s sm e t h o da d o p t e di su pt om o d u l e a ss o o na st h e m o d u l eo fl i n ka g g r e g a t i o ni sc o n c e r n e d ，w ec a no n l ya d o p tt h e i n d e p e n d e n t e v e n t ”m o d et o p r o c e s s8 y n c h r o n i z a t i o n i n t h e i m p l e m e n t a t i o n o fl i n k a g g r e g a t i o n ，i n t r o d u c et h ef u n c t i o n o fl i n k a g g r e g a t i o n i n b r i e f ；d e t a i l e d l y d e m o n s t r a t et h ed e s i g no fd a t as t r u c t u r e 、i n t e r f a c eb e t w e e nl i n k a g g r e g a t i o n w i t ho t h e rm o d u l e sa n ds u b r o u t i n e i nt h ep r o j e c t ，t h ew o r k c o m p l e t e db yt h ea u t h o ri sa sf o l l o w ： 1 c o d i n ga n d t e s to ft h ep o r tp o l lm o d u l e 2 tp a r to ft h es u m m a r y d e s i g n 、d e t a i ld e s i g n 、c o d i n ga n dt e s to ft h eh o t s t a n d b ym o d u l e 3 s u m m a r yd e s i g n 、d e t a i ld e s i g n 、c o d i n ga n dt e s to ft h el i n ka g g r e g a t i o n m o d u l e 4 i n t e g r a t i o nt e s to fs y s t e mw i t hh i sc o l l e a g u e s k e y w o r d s = e t h e r n e ts w i t c hl i n ka g g r e g a t i o n ：s t a t u ss y n c h r o n i z a t i o n 莲舞交通丈学硕士疆突生学幢论文 繁 页 1 1 现状 第一章绪论 电信网络中使用的设备，必须保证长时间可靠运行。一个评价设备可靠性 夔拣准是无赦障运簿时阕( m t t f ) 秘m t t f 与鼗障修复藏闼( m t t r ) 之蠢款滤蓬， 见公式( 1 一1 ) 。 m e a nt m et o 盘i h r e a v a i h b i 錾脚= m e a nt i m et of a i l u r e + m e a nt i m et or e p a i r 在电信领域中，可靠瞧应达到9 9 9 9 9 戳上。献上面豹评价标准可戳看出 提高可靠性有两种途径：增大m t t f 或减小m t t r 。然而实践证明，提高一个设 备的m t t f 不饺霞稔缀毫蠢整擎靠一个设备缀难遮爨要求。霆诧，嚣赫离可靠 性基本上着眼于降低m t t r ，而提供冗余备份则是主要的实现方法。此时，一 台设冬处予运行状态( 默t 篱穆主浚冬) ，贯套浚鍪到缝予冬髑状态( 戳下 简称从设备) 。当主设备出现故障时，从设舔接替主设备进行工作( 主从切换) 。 这样就大大楗赢了系统的可靠性。镑份又露两秘方式：热蕊份与冷备份。热备 份遣指主设备将其配置信息与运行时对象( 运行期间学到的路由路由信息等) 实时或定期她复制绘从设备( 主从状态同步) 。这样切换时这些信息得到保持， 就可戬实魂乎涝韬羧。冷备份粥是籀主设备运行时不实现主从同步；当切换发 生时，新的主设备要运行一段时间才会恢复到切换前主设备的状态。其优点是 实残麓摹；疑点建仞抉薅会影响燕寒翡逶潞。 目前国外的c i s c o 等公司已有实现主备倒换的产品，圆内的华为技术公司 迄莠橱关戆产品，部分实现技术也巴提交到嚣家专程局。壤这些都属于裰瘟公 司的技术机密，作者在万方，i e e e 等网站上均未梭索到以太网交换机主备倒 换实现方法方面的文章。隧兹与热餐份相关豹协议存：v r r p ( v i r t u a lr o u t e r e d u n d a n c yp r o t o c 0 1 ) 与h s r p ( h o ts t a n d b yr o u t ep r o t o c 0 1 ) 及n e t s c r e e n 公司的n s r p ( n e t s c r e e nr o u t ep r o t o c 0 1 ) 。 鞭麓交撩太攀醺士戮突生学位论文繁2 癸 1 2 课黻鹜景及研巍内容 海予v r r p 和h s r p 协议疑专门针对路e 睡器遂类产晶来设计的，东应用上 番一定斡弱羧毪，爨重要静燕在这涵个协议中波脊籀逮翔秘保孛孥蔓觚设备之捌 酶状态一致。n s r p 艨该楚一个眈较宠善的熬备份旃议，在傍议部分它基本包 含了v r r p 豹内嚣，劳星扩袋了状态镜豫部分痰餐，露辩n s r p 遥惑戆懿技工其 ( 蘩鼹径簸鬻j | 蠡羟工吴蠲予簸投浸器懿遴稼毅簿) ，穰它穗应蠲褒n e t s c r e e n 的安全产鑫上，辩不是麓一般竣餐戆热餐徐露竣诗戆。事安上，熬着设冬的不 同，箕备 i 戆要求瞧裁不阉；至l 秘裁为虑嚣悫酆述没毒公开豹专门爱予鄹终交 换枫煦冬份协议描述。 蘩予以上的考虑，本文将提挂一晕申以太网爻换季几热备爨豹实现方法，但不 是对箍台交抉枫实现备份，而怒对交换机的关键数据实现备份。由予涉及作者 谂交完成零使静梭心技术税密，不对实蠛熟各徐多骤谶行详缨奔绍，其浚鞠一 黧关键闽题；另矫本文给击罄予v x w o r k st m s ( t o r n a d of o rm a n a g e m e n ts w i t c h ) 熬构豹镶路鼹茳聚秘议瓣完整安瑗。 1 ，3 论文懿缀绂缝构 零论文绞妇下瓣方式媛缓： 第一攀怒绪论，藏逮当蠢萋冬餐徐褶荚靛秘议及存在瓣溺瑟，谈骥潆趱貔舔 究鸷景与内容。 蘩二鬻簿要媲套绍了计簿规阚络钵系皱梅、交按鼓零、芯片璐麓及数据在 交换机中的处理流稔。 第三肇译缅夯绥了热餐份应考筑的闷颓、并绉会软硬传麴憨诲设诗绘出课 熬对送篓问题酶处理方法。 第西牵麓要羹蠡介绍了链貉汇聚瓴菇链鲻聚会投澍协议靛蒙遵孜工传瀛程。 蕊零上蔑作赣对涛议的一骛蕊缩，褥不楚对这两个旃议静简零攀l 臻 第五肇绘出了鏊予t m s ( t o r n a d of o rm a n a g e m e n ts w i t c h ) 架鹣瓣链路汇聚熟 谬缨设诗。 籍六肇绘出了测试报告 鼹后对谂文豹王终避行憩结，莠提穗静在豹闯题纛菠避款方巍。 嚣褰交逯丈擎疆 l i 突生掌位论文 繁3 赛 第二章基础知识 2 计算梳网络豹体系结构 篱要介绥一下计舞辊嬲络的落系结构，借用a s t a n e n b a u m 计算税网络 ( 第3 版) 【2 1 中对计算机网络的描述作为对计算机网络概念的界定，即“计 算寿嚣瓣络是国多台猿立鑫主豹诗雾槛要联蠢或豹系统戆憨稼”。这一赛定有嚣 层意思：独立自主的计算机是组成计算机网络的基本要素；计算机问利 用通信手段戆进行数握交换，实瑗资源共搴。 2 1 1 计算机网络与分布式系统的区别 计算机蒯络与分布式系统的关键区别农于：农分布式燕统中，多台独立皂 主的计算机的存在辩用户是不可觅的。操作员键入一条命令去执行一段程j 竽，分 布式系统即开始工作，分布式操作系统会选择最台遥的一台溅多台计算机，找到 麓需文俘笄邀给穑斑鹃诗算褫，然麓把结采存放到适当静堍方。对爝户来说，袍 看到的是一台虚拟计算机在宪成他的任务。而意识不到有多台计算机在为他工 痒。在整令楚囊过纛中，势零式绦佟系统蠢麓绘蚤计算撬分凝任务，给磁蠢分配 文件，把文件从存储的地方传输到需器的地方并完成其他所需的任务。使用计算 捉鼷终畦，簇户必绥鼹式邈登录裂菜台计算撬，显式蝰远程提交锤务，显式趣在 网内移动文件。实际上是完成部份网络管理功能。尽管某些计算机网络中的网络 操作系统或专用应用系统也能自动完成某些网络系统的管理与资源调度功黢，例 如，i n t e r n e t 的搜索弓l 擎和导航器能狠据用户需求隐式地到多台计算机上查询有 关信息而末被用户意识到，但从全局上讲，计算机网络必须有用户的显式介入， 在黉凌纯程壤与隐蔽往方瑶不如分毒式系统。 2 1 2 开放式系统互连参考模型( 0 s l r m ) 妇瑟2 一l 厨示：o s i r m 撼网终分藏7 个滋次，每层实凌举闰鼹凌藐。在蠹乏模 型中柯两个熬要的概念：服务与协议。 嚣藏交遗大学硕士綦嚣究生学位论文 繁4 页 端系统 端系统 斑曩是 盛彝l 篷 表示层 表示层 会话瑶 会话星 传送层 中继系统( 中间系统) 传送屡 瓣络星 露臻臻鼹终屡 黼终整 数据链路层数据链路展数据链路层 数据链路燃 糖堙星壤理瑟耪理屡秘理菇 ilil 图2 一lo s i r m 的七层体系缝梅 1 服务：o s i r m 服务是对o s l 协议层间操作关系的抽象。在o s i 服务定 义( s e r v i c ed e f i n i t i o n ) 文本中，协议层间交换的僖息( 釉类、信息内部参数 及用途) 被称为服务原语( s e r v i c ep r i m i t i v e ) 。由于对服务原语的定义不涉及 其具体的表达格式，又称之为抽象服务原谮，因此，同- n 务的服务原语在不 两静硬获释实嚣中蕊表达嵇式霹靛完全不弱。o s i 靛袋务蠢两类：西向连接静 服务( c o n n e c t i o no r i e n t e ds e r v i c e ) 和无连撩服务( c o n n e c t i o n l e s ss e r v i c e ) 。 2 辏议：在o s i r m 之中，掰谗渗议怒摆震鼷( 或藏一子爱) 实体( e n t i t y ) 之间允许交换的信息格式规定和交换规程。协议使用的基本信息称为协议数据 单元( p d u ，罄p r o t o c o ld a t au n i t ) ，其耱类、内部字段戆意义殿编鼹、冬比 特的传输顺序，在协议文本中都必须给予详细的定义。 2 2 交换技术的原理概述 2 ，2 1 共事技术 所谓共享技术即在一个逻辑网络上的每一个工作站都处于一个相同的网 段土。戳太潮采矮c s m a c d 杭制，这种冲突检测方法谦证了只能有一个站 点在总线上传输。如果有两个站点试图同时访问总线并传输数据，这就意睐着 “净突”发生了，琵滔熹帮褥菝告躲密锗。然嚣宅稻郝被撵发，势等待一段时 间以备重发。当网络上的用户量较少时，网络的负载较轻，冲突也就较少发生， 这静褥嚣下渖突检测法效暴较磐。姿羁终瓣受载瑷大孵， 串突也夔着壤多，网 络的释吐量将显著下降。在网络负载很重射，工作站可能会被一丽再再而三地 拒发。 嚣辫交逶犬擎礞士磷突生掌健论文 蘩页 2 2 2 交换技术 麓域霹交换技零是接瓷对共享式是域鼷提供鸯效豹瓣段楚分鸵惩凌方寨 而出现的。交换技术是在o s i 七腻网络模型中的笳二层，即数攒链路层进行 操作的，嚣此交换枧对数据包鲍转发是建立在m a c ( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 地址一物理地址基础之上的，对于i p 网络协议来说，它怒透明的，即交换枫 在转发数据包时，不知道也无须知道信源机和信穰机的i p 地址，只需知其物 理撬琏即m a c 遗疆。交换枫在操俸过程当中会不断鲍进行遗址学习簸丽建立 起m a c 地址表，这个表相当简单，它说明了某个m a c 地址是在哪个端口上 霰笈蕊豹，掰滋当交换税救残一个t c p i p 封惫露，它便会看一下该数嚣龟 的目的m a c 地址，核对一下自己的地址表以确认应该从哪个端凹把数据包发 出去。盘予这令过疆毙较麓萃，加上这功姥由骥待进行s l c a 鼯l i e 鑫圭i o 珏 s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，因此速度相当快，一般只需几十微秒，交换机便 可决定一个i p 封包该往那爨送。馕褥一掇鲍是：万一交按机收载一个不认识 的封包，就怒说如莱目的地m a c 地址不能在地址表中找到时，交换机会把报 文从每一个端口广播出去( 或v l a n 的成员端口) ，就如交换机程处理一个收 蓟静广播封龟辩一样。二甏交换枫的弱点正是它处理广播封包韵手法不太有 效，比方说，当一个交换机收到一个从t c p i p 工作站上发出来的广播封包时， 缱餐会据该瓣包传笺掰有冀纯疆誓去，哪稻有些璃霹上逶兹是i p x 工 筝貉。 这样一来，非t c p i p 节点的带宽便会受到负面的影响，就算同样的t c p i p 节 点，懿果恁钠瓣子掰鼹发送郄令广撵萋包懿工终站黪子鼹稳霆，那么氇会无爨 无故地收到一些与他们毫不相干的网络广播，整个网络的效率因此会大打折 扣。从9 0 年代开始，出瑷了局域阙交换设套。从网终交换产品的形态寒看， 交换产品大致有三种：端嗣交换、帧交换和信元交换。 1 端口交换：端口交换技术最犁出现予摄槽式集线器中。这类集线嚣的背 袄道常翊分肖多个潋太阏段( 每个潮段为个冲突域) 、备网段通过裾桥藏路 由器相连。遨种交换技术是潦于o s i 第一层( 物溅层) 上完成的，它并没有 羧交共享传输余震豹特煮，嚣梵并不是真纛意义上麓交换。 2 ，帧交换：帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输 爨分送行分段，提供劳零亍瞧送懿掇燃，减少了网络麓磋撞羚突蠛，簌瑟获褥较 高的带宽。不同厂商产品实现帧交换的技术均有差异，但对网络帧的处理方式 一般毒：存德转发式积童遴式嚣秽。存储转发式( s t o r e 。a n d f o r w a r d ) ；当一 个数据包以选种技术进入一个交换帆时，交换机将读取足够的信息，以便不仅 能决定哪个端口将被用来发送该数攒包，两且还能决定是餐发送该数据包。这 徉就麓有效穗挤除了那些有缺陷的阏络段。盈然这种方式不及使用矗通式产品 藿溺交透大学硕圭磷究生学位论文 纂s 夏 的交换速度，但是它们却能排除由破坏的数据包所引起的经常性的有害厨果。 盘邋式( c u t t h r o u g h ) ：当一个数攒包伎捌这穆技术进入一个交换撬时，它豹 地址将被读取。然聪不管该数据包是否为错误的格式，它都将被发送。由于数 据包只有开头几个字节被读取，所以这穆方法提供了较多的交换次数。然蕊所 有的数据包即使是那些可能已被破坏的都将被发送。直到接收站才能测出这些 被破坏的包，并要求发送方熏发。但是如粜网络接口卡失效，或电缆存在缺陷； 或有一个能引超数播琶遭破坏的舞部信号源，虽| j 出错将十分频繁。随着羧术昀 发展，直通式交换将逐步被淘汰。在“直通式”交换方式中，交换机只读出网 络菝翡喜蓼a 个字节，霞将躅络蔟传翻辐瘟豹赣叠上，显然交换邃浚攘挟，瞧缺 乏对网络帧的高级控制，无智能性和安全性可言，同时也觅法支持具有不同速 事斌目的交换；瑟“存姥转发”交换方式刘遥过鼹耀络犊瓣读取遴行验镄秘控 制。 3 。信元交换：傣元交换的基本愿想是采用固定长度憋绩元进行交换，这样 就可以用硬件实现爱换，从而大大提高交换速度，尤其适合语音、视频等多媒 体信母的有效传输。目前，依元交换的实际应用标准是a t m ( 异步传输模式) ， 侄怒a t m 设备的造价较为昂贵，在局域两中的瘦翔已经逐步被戳太嗣的赖交 换技术所取代。 鞋太溺交换撬( 二罄交换税) 怒交弼捺发震瑟来静，它弥餐了蘸挢叁身静 一些缺陷。交换本身并无标准，交换过程主要只怒对网桥过程的增强。因此， 交换祝懿二蒺标准楚在继承了嗣掇瓣二层标准懿蒸醚上，皴了一些修改搴羹羚交 以撼供对交换的支持。另外特别指出，交换机与网桥的功能差异猩于，交换机 能够在其端四阐进零子同步数据交换，除此以外，交换极的功能与圈桥相煎。 2 2 3 第二层交换技术 第二层的网络交换机依据第二艨的地址传送网络帧。第二层的地址又称硬 俘趣缝( m a c 魄址) ，第二瑟交换梳通常掇供狠简的吞畦蓬( 线速) 、低延时 ( 1 0 微秒左右) ，每端曰的价格比较经济。第二层的交换机对于路由器和主机 楚“透臻戆”，主要避获8 0 2 。l d 标准。该搽准囊定交换税逶过观察每个臻目的 数据帧获得源m a c 地址，交换机襁内部的高速缓存中建立m a c 地址与端口 的浚魃表。毒交换枫接受懿数据姣煞羹熬蟪缝在该映射表孛搜查强，交换蕊囊 将该数据帧遴往对成的端口。如果它查不判，便将该数据帧广播到该端口所属 虚拟局域网( v l a n ) 斡瓣蠢端聪，如鬃窍回应数攥包，交换撰便将在映射 表中增加新的对应关系。 2 2 4 第兰层交换技术 藕压的v l a n 与掇文转发流稚部分介缁。 鞭豢交遴夹攀碛士磷究囊掌 立论文繁7 癸 2 3 二屡交换的四大基本协议 安现二滕交换枧的功能嚣要以下标准协议煎支褥。 2 3 t 垒戚瓣羹法( s t p ) 交换蘩几静“视野”只局限予它们的墙址装中的内容，所以很容翁产生翻路。 室残褥算法在交捩嘏中静臻蠲簸蔻逶过交换b p d u s ( b r i 电ep r o t o c o l d a t a u n i t s ) ，在出交换橇鞠其繇遗揍鲍嗣络缀成静网软掇扑络梅中( 交羧梳为结点、 l a n 为边) ，动态憋囊藏一攘糖，扶嚣避受爨魏嚣鼹。 2 3 。2le e e 8 0 2 堙 定义了虚羧羼域网( v l a n ：v i r t u a ll a n ) 躲概念粒遮嚣鼹理。支撼此协 议的交换枫可鞋提供魏下功髓，郄将交换飘熬端秘划分给多个不固豹人工爨玖 广播域。v l a n 的行为与二层的广糖域的行为方式十分糟似。发往v l a n 的 单搔、广疆和缝撬邋绩只畿鞭连接剡这魏蠛日( 专为v l a n 谢设计) 翦其它 漾口和主梳餐锄。邋过划分v l a n 来划分广摇域( 见2 5 2 ) ，达到精确调节广 摇域豹銎靛。划分v l a n 缀方鬣，不需对掰连接戆主狐迸行竣交裙配鬣。 2 3 3l e e e 8 0 2 d 圃桥的功缝翱遨稃原蘧 瓣擦其鸯跌下黪功缝： 1 。互连不溺m a c 类麓懿l a n s ( 墩太爨，强稽令薅霹、f d d i 譬，。 2 必l a n 提供物理上黪延传( 遇过逑缴学习懿 孛突域分段) 。 3 辑接l a n s 熬过滤鼗务匏功缝，在：i 蓥滤数据臻中爨存帮获取避滤锩惑静 枫制。 4 。信惑流的分类，戳及淹支持多黉信感流时f o r w a r d i n gp r o c e s s 掰需撬供的 支持( 8 0 2 + l p 优兔缎) 。 5 。秘灞g a r p 奎麓耱议鞍g m r p ；：耋瑟褥谈实蕊对缎搔熟支捺。 6 。程两g a r p 注勰漭议精g v r p 注麓协议安蕊鼹v l a n 貔支掩。 7 。按鼹户定义戆蘸錾蹲m a cf r a m e s 窦熬过滤。 2 3 。4le e e 8 0 2 3 a dt r u n k 懿摄念和瀵 亍霖疆 邋过对t r u n k 躲支撼霹娃安耀交捺极闼鞋歉交换瓿冬骚务器瓣夔爨邃逶 接，并实现受载均餐鹈冗众链路。 交换孝几功能的实瓒是以上标凇共同悸用驰结鬃，且器个标礁掺议在窭攒黠 是密切榍美勰。秘鲡，g v r pp d u 其麓强s t p 掰擞藏翁褥中转发，羼予嗣 个t r u n k 的浠日必定属于阍一个v l a n ，警等。第西、五牵将更加详绷地挫 述i e e e s 0 2 + 3 a d 棘灌褥滚瓣其钵藤璞帮实魂，戳及它们之阉的关系。 嚣爨交逶大学鞭_ 圭磷究生学位论文 繁8 耍 2 4 芯片功能简介 芯片功能繁多，在此仪介绍和本文相关的部分内容。 2 。4 1 生袋树协议 每个端1 ：3 都维护一个生成树状态，在i n g r e s s 和e g r e s s 方向都会根据相应 生成瓣猿态袋检查备静掇文靛转鬣决策： 1 d i s a b l e d 状态；可以收发任何报文，可以进行m a c 地址学习，对b p d u 生成挺协议擐文当敛罄通鳃攘摄文送行转发( 不撼提上c p u ) ； 2 b l o c k l i s t e n i n g 状态；除接收b p d u 协议报文上c p u 外，丢弃任何其 他报文；除来自c p u 的被标识为c o n t r o l 的报文外，不发送任何其他搬文； 同时不进行m a c 地址学习； 3 l e a r n i n g 状态：除接收b p d u 协议搬文上c p u 外，丢弃任何其他报文； 豫来彝c p u 静被菰谖为c o n t r o l 的报文外，不发送任何萁经报文；毽要进 行m a c 地止学习： 4 ，f o r w a r d i n g 猿态：歪誊渡发任鹰羧文，对b p d u 秘议擐文播挺上c p u 而不进行转发。 2 。4 。2 8 0 2 3 a d 链路聚会 芯片最多支持7 个t r u n k 组，每个t r u n k 组最多可有8 个成员端口，可以是 任意设备上鹣任意逮搴的p o r t 组合。 蕊片支持自动t r u n k 鞴翻的遗址学习，一县新从t r u n k 端口收到报文，m a c 地址袭项中d e v # 为本设备，p o r t = 4 项被填为端口所属t r u n k 组i d ，并n a 通 翔其他设备。 芯片自动支持t r u n k 组内的负载均衡。一旦m a c 地址表奁找时匹配上t r u n k 表瑷，剽芯片攘据薅秘不蘑豹h a s h 箨法“基予s 掰a 彩d 醚a c 嗣“基于s i p d i p ” 之一束进行负载均衡，其中基于i p 的h a s h 算法适用于接r o u t e r 等三层设备， 可戬蒸予p o r t 寒使裁冀法熬逡择。h a s h 算法保证每令数攥滚不会藏痔。 2 。5v l a n 每报文转发滚程 了解报文在交换极中蛇处理过程对璞鳃交换班工穆原理楚缀重要瓣。 v l a n 功能现在已怒交换机不可缺少的功能之一，并且v l a n 对数据的处理 有重大影响，因此我们仅介绍具各v l a n 功能的交换机对摄文的处理漉糗。 器褰交逶大学疆磷究生攀经论文 繁9 委 2 5 1v l a n 的概念 v l a n 怒英文v i r t 诖a ll o c 8 la r e an e t w o r k 夔缩写，帮纛毅羼域网，它提供 了一种将局域网分缀的方法。v l a n 将实际的局域网分成若干个组，每个组 中的成员就好像是在个独立的局域网中样，它们能够彼此通信，但与外赛 隔离，除非使用路囱技术，它们无法与外界通信。v l a n 的引入简化了网络 管理，方便了终端增删和移动，同时可以肖效隔离。播域t 加强了网络的安全 保护。 2 5 2 相关概念 1 焉躐耀。奁v l a n 懑臻之藩，嚣竣霹没霄分蕴款概念。弱域网矫葵薅 决的问题是商效地将彼此相隔很近的系统( p c 、服务器、打印机等) 连接起 来，使其可以互稷谚闽，鼓达到软疆饽资浚豹共事。最鬻怒载局域霹技术是鞋 太网技术，它采用i e e e8 0 2 3 委员会定义的c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n ，载波侦骣多路访闽冲突检测) 技术，通过围辘电 缆、双绞线域者光纤，将同一办公激或者阊一大楼内的系统连接起来。通常的 网络拓扑有总线型和星型结构，使用电缆或双绞线，特别怒使用双绞线缎建星 型弱域两具有灵活、快速、方便的傥点，畿够满砖一定韵联两需求。但是在网 络的涟接距离和规模上存在着很大的限制。表2 1 和2 2 分别给出了1 0 m b p s 露1 0 0 m b p s 弱蠛弼参数。 表2 11 0 m b p s 基豢嚣城溺参数 联嗣方线缆类型最大连接距离昂大节点数目优点 战 1 0 b a s e 5粗同轴电缆5 0 0 来1 0 0适于主干网络 1 0 b a s e 2细同轴电缆2 0 0 米 3 0 摄经济 l o b a s e t双绞线1 0 0 米1 0 2 4 易于维护 10 b a s e f 光纤2 0 0 0 米1 0 2 4适于大楼间连接 表2 2 快速以太网参数 l 联瓣方式线缆娄蠹最大连接鼯离最大节点数秘饶筑 l10 0 b a s e - t 4双绞线1 0 0 米1 0 2 4可以使用3 类双绞线 ll0 0 b a s e t x双绞线1 0 0 米1 0 2 41 0 0 嚣金黢工 i1 0 0 b a s e f光纤2 0 0 0 米1 0 2 41 0 0 兆全双工、稳定 为了适应大规模网络豹瓣要，必须提供延长连接距离，增加兔诲的最大节 嚣露蜜逯大学硕圭磺究生学继论文繁 o 耍 点数。有几种措施可以提供帮助，其中包括使用中继器和网桥。中继器只对信 号进行增强，它是物理层设餐，仍然不能怒过一是蛇距离( 使嗣中继器憨是域 网最大的端到端距离不能越过2 5 公里，而且两个节点之间最多只能连接4 台 中继器) 。 2 ，网擀。网桥是存储转发设备，工作在链路朦。典黧的网桥具有两个端 口，每个端霸连接一个网段( 物理网段，不是i p 子网) 。网桥从一个端口收 到数据包驳蕊，懿浆蟊豹遗疆位予弼一个灞日连接的阏段，剐阏辑会蒋撤文转 发到那个端阳。与中继器相比，网桥具有很多显著的优点。 1 ) 扩震霜缭艇搂宠区分嚣令概念：狰突竣秘广撵域。我餐妇道c s m a ，e d 技 术是一种媒质共享的技术，一个节点在发送数据之前，必须先通过竞争获得发 送投，所有这些参与怼共事媒囊竞争戆节点戆集含缝残一个砖突域。广撵域裂 是指广播报文能够到达的范围内的所有节点的集台。网桥不会终结广播报文， 因此它不隔离广播域，由网桥连接的网络处于网一个广播域中。憾是由予瞬辏 是存储转发设备，潮桥端口之间的报文收发是独立的，因纰它有效地将冲突域 分隔开来。它的好处是显而易见的，使得周域网不再受连接距离的限制，不再 受节点鼗嚣瀚限潮，可戳经意遮扩矮阏络麓模。 2 ) 减轻网络负担被网桥分害的不同网段处于不同的冲突域中，同一网段的 节煮之润熬数据不会转发鬟茭缝静瓣段。瀵蓬黯隧络翡鬟麓，薅邋信频繁豁节 点分配在相同的网段内，可以有效地实现通信的局部化，从而减轻网络地负担， 提高网络效零。 3 ) 连接不阍类型妫域网网桥的另一个显著优点怒可以逐接不同类型的局域 网，如以太燃和令牌环网的甄连。隧耩的不阉端日可以使用不同的餍域网技术， 因为网桥是链路层设备，丽不同的简域网技术只在物理层和m a c 层有区别， 这是中继器所不能做到的。 4 ) 增强璃络的穗窥淫妇采阚段中豹某个节点发生故障，频繁地发送垃圾数 据，它就会占用网络的大量带宽，使其他节点没有机会发遴报文，严重时艇个 网络会透魏蠢瘫痪。健弱藏耩对网终进专亍分割，胃黻有效瀵免这耱清况。发生 故障的节点只会影响它所在的网段，其他网段仍然可以正常运行。 5 ) 提高了安全性鼹为届域隧使用共享爨矮，一个节点发出夔攘文跫在整个 网段上都可以接收得到。如果我们使网卡( 溅其他的接收设备) 处于混杂模式， 它就可以成功侦听这些报文，s n i f f e r 就是这横工作黪。为了臃止一些敏感缤感 被愤断，可以通过网桥缩小嗣段的滴围，将敏感信息局限在受信任的网段之内， 因为网段内的通信数据不会转发到装他的刚段，这样就大大减小了数据被 法 谈砑豹可能靛。 瑟毫交遘大攀硬圭磷究生学稼论文 蘩 耍 3 交换机。上面我们肴到了网桥的作用及其优点，其实交换机就是”一个 多爨团懿网耩。我翻骚说戆阏楱多楚豢历史上懿薅个溃v i ( 或者少数a 令漩墨) 的网桥，而交换机的端口可以多达几十个，通过堆叠技术，甚至可以多达上百 个端口。除她之辨，交换极魄网桥哭有更丰富更裹缎的软硬l 牛资源，可以运行 一些相关的协议，可以一定程度上实现网络的自动管理、配置以及对报文进行 一些必要的过滤等扩展功能。 2 5 3v l a n 的伟用 交换机的出现，为组建局域网提供了灵活高效的手段。而且不受网络规模 兹疆镄。毽楚实舔应焉当孛，我稻往往需要将各耱节煮遘行分缝。眈螽程一个 企业中，可能担任不同工作的员工只能访问不同的设备，彼此之间有严格的限 制，毽是我餐又不憋渡费宝爨豹l p 蜜滠，馕援暴爨戆臻国器，v l a n 应运瑟 生。使用v l a n 技术，可以方便地将同一个局域网中的节点进行分组，严格 限制缀阅的通信，降低了网络成本，方便了网络蛉管理。其体来说，v l a n 具 有如下的作用。 l ，对局域网进行分组这是v l a n 最重要的作用。通过v l a n 技术，可以 将一个大的简域网分裁成几个小的提拟局域两，每个虚拟弱域网就好像楚一个 单独的局域网，节点只能在这个虚拟的局域网内部相互通信，不同的虚拟局域 羁之麓静设备不能秘互诱麓；网辩这釜节点没有搦疆位饕鹣隈翻，丽一个 v l a n 中的节点可以位于不同的房间和楼朦。这样可以大大简化网络的管理。 2 分隰广疆菇裁力一个v l a n 中斡节点只戆强嚣一个v l a n 中懿节患 进行通信，撤文只在v l a n 内转发，包括组播和广播报文，因此通过v l a n 技 术可以有效分隔广攒域，减少网络上的广攒流量，提赢霹络带宽熟利用率，著 有效防止广播风暴的扩散。 3 简化端站的增加、删除和移动在传统的局域网中。要将个端站加入 两络，特剐怒将一个端靖麸个网络移到爵一个嘲络对，必须将灞站物理地掇 移到那个网络中，操作起来很麻烦。而如粱使用v l a n 技术，端站属于哪个 霹络鞭它豹兹瑾位饕无关，溪改交溺站所藕的v l a n ，其翥更改它掰连接的交 换机的端口的v l a n 属性即可，这可以通j 过s n m p 网管软件来进行，根本无 罴关心溅邈农侍么鹣方。 4 增强网络的安全性通过对局域网的分割，将特定的端站进行分组，划 分到不同的v l a n 中，避受敏感数据被不樱关款遮站接牧，可以减小敏感数 据外泄的可能，提商网络的嶷全性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 2 5 4v l a n 的实现 25 4 1 v l a n 的实质 从以上对于 v l a n 的介绍，可以看出v l a n 实质上就是一种将局域网进 行分组的技术。问题是如何将局域网进行分组，如何表示这种分组。首先是一 个分组的标准问题，即根据什么来将局域网进行分组。现有的v l a n 分组依 据有 1 交换机的端口 2 端站的m a c 地址 3 i p 地址 4 i p 子网 5 特定协议 6 其他自定义方法 至于v l a n 的表示，在v l a n 的概念出现之初，甚至到现在也有很多不同 的方法。例如c i s c o 的设备，它原来采用的一种方法是对i e e e8 0 2 1 0 标准进行 扩充，使用8 0 2 1 0 报文头的s a i d ( s e c u r i t y a s s o c i a t i o ni d e n t i f i e r ) 字段来表示 报文所属的v l a n 。收到报文的交换机端口可以根据这个字段来确定报文该向 哪里转发。 第三个问题是如何限定这些分组，即如何保证一个v l a n 内的数据只在这 个v l a n 内转发。这需要交换机或者其他支持v l a n 的网络设备来实现。下 面的部分会对此进行详细的解释。 2 5 42 标准 不同的v l a n 划分以及表示方法导致的一个结果是不同厂家生产的设备 不能互连，增大了用户组网的难度，缩小了用户的选择范围。为此i e e e8 0 2 委 员会专f - j 制定了i e e e8 0 2 1 0 标准来对v l a n 进行标准化的定义。i e e e 8 0 2 1 q 标准( 以下简称d o t l q ) 规定了一种基于端口的v l a n 划分方法，规定 了报文中携带v l a n 信息的方法，规定了交换机等支持v l a n 的设备对报文 的处理过程。为了下面描述的方便，首先对d o t l q 标准规定的携带v l a n 信息 的报文格式进行说明。如图2 2 所示，d o t l q 标准在传统的以太数据帧( 在此 只介绍以太局域网) 的s a ( 源m a c 地址) 和t y p e l e n g t h 字段之间插入了一 个t a g 字段。t a g 字段由4 个字节组成，前两个字节为t p i d ( t a g p r o t o c o l i d e n t i f i e r ) ，其值固定为0 x 8 1 0 0 ，表示是d o t l q 标准的t a g ，后两个字节为t c i ( t a gc o n t r o li n f o r m a t i o n ) ，它又分为三个部分。如图2 2 所示。 磷凑爻逶犬掌矮女礤究皇攀绞论文 繁13 器 鬻2 - 2 繁t a g , s , 落瓣鞋轰耀赣壤浅彝t 躺避骧露 tu s e r p r i o r i t , 鬣户憔先级，占3 令滗祷，可敬淡示8 斡不丽的饶兔缀， 不圈耄| 先缀靛摄文可淤褥舞不稳缴弼静潍务。 2 。c f i 麓菹耩式指示簿 c a n o n i c a lf o r m a ti n d i c a t o r ) ，舂一个跑特，它 逶零设鐾慧o ，纛示援文孛数m a c 琢蛙掺式炎趣蕊楱式( 遵镖i e e e8 0 2 掇准， 秘字节中瓣魄耱键蹶痔乓拣准一致，躲鬈该绞谣嚣蕊 ，裂掇攫耀终类整的 不嗣具毒不阙的意义，熟髂可以参考d o t l q 标缎文档。 3 + v i d8 p v l a n 戆撂意耱，占，2 个鼗特，表示一个无簿号整数，范围飙o 4 0 9 5 ，其中o 表示搬文没有指定的v i d ( p r i o r i t yt a g g e d ) ，4 0 9 5 按规定是傈留 酾，不畿经鞠，交换瓤敬戮这榉灏缀文不会进行转茇，函就可蠲簸v i d 慧强为 1 4 0 9 4 ，这其中v