交换机冗余链路引起的网络拥塞问题研究

（泉州市第一医院 福建 362000）

现在的交换机使用的是共享总线以太网，它是现阶段局域网中最为关键的一项技术，不仅可以交换速率，还可增加链路带宽。但是，当单一链路出现故障问题，那么就会导致网络中断。尽管冗余链路可以有效地解决单一链路引起的网络问题，但是其也会带来其他问题，如重复帧等问题。

1 二层交换技术

数据链路层，就是第二层交换技术，它在OSI 七层网络模型中的第二层，通过学习和转发MAC地址，所以对于高层来讲，它是透明可见的。而且它也只处理除了网络层的IP地址和高层协议的端口地址，如TCP 等之外的MAC 物理地址，并通过硬件实现数据交换，有着非常快的处理速度。

1.1 交换机的工作原理

交换机的学习和转发是二层转发设计的关键进程。在学习的时候，交换机可以按照数据帧中的源MAC地址在其表中建立端口映射。在转发的过程中，按照帧的目的MAC地址对其转发。当交换机接收某个数据帧的时候，交换机在其表中查找的数据帧的目的MAC地址，一旦交换机具备此地址，那么数据帧就会被转发到MAC对应端口，反之就会泛洪到除了对应端口的其他端口。

1.2 交换机的工作步骤

二层交换机分为4个工作步骤：

（1）当交换机接收到某个端口数据的时候，首先它会读取数据包中的源MAC地址，并快速了解源MAC地址的连接端口；

（2）然后，读取数据包中的目的MAC地址，并查找其对应的端口；

（3）如果数据表中存在于数据包目的MAC地址相对应的端口，那么就可以将数据包复制到此端口；

（4）如果在表中找不到相对应的端口，那么就要将广播发送到其他端口，当目的PC 回应源PC的时候，叫欢迎就可以学习到目的PC和源PC对应的端口，从而简化下一次的数据传送过程。

当交换机中有数据包通过，那么其就会不断循环此过程，并学习和转发MAC地址，从而建立和维护自己的MAC地址表。

2 冗余链路分析

在主网络中，一般单一链路非常好实现，但是简单的故障问题也就会使网络出现中断问题。因此，在实际的网络组建中，需要多交换机组成网络环境并通过备份连接，以此提高网络的可靠性和稳定性。备份连接，又称备份链路或冗余链路。备份链路建的交换机总会相互连接在一起，并形成环路，从而实现冗余。虽然其可以提高网络的稳定可靠性，但是也会带来新的网络问题。

2.1 冗余链路的危害

二层交换设备最重要的功能就是交换机，它可以将每个端口接受的数据帧的源设备硬件地址和源设备的MAC地址记住，并将其写入到MAC地址表中。当交换机的某个端口接收到数据帧的时候，它就可以查看目的硬件地址，并在地指标中查找到外出端口，并转发数据，所以，这就是交换机交换数据的原理。

2.2 MAC地址表不稳定引发广播风暴问题

当交换机启动的时候，MAC地址表并不存在。它是通过不断学习生成的，且也是动态变化的。在存在冗余链路的交换网中，从工作站发出的数据帧会顺着途中的E1和E3 两条链路进入交换机A和B，但是此时并没有形成MAC地址表。而且该数据帧会通过广播这一方式将其发送至交换机其他端口，并顺着交换机A的E2端口发送到交换机B的E4端口，反之，就顺着交换机B的E4端口发送到A的E2端口，然后在由两个交换机转换，使同一数据帧在两点的环路内不停地被转换机转发，从而出现广播风暴问题。

2.3 重复帧拷贝

另一方面，当工作站发送的数据帧到达网络的时候，交换机需要将其收到的数据帧的源MAC地址写进MAC地址表，并将其转发到该数据帧对应的交换机，并写入MAC地址表，循环往复。当交换机知识不断用源MAC地址更新MAC地址表，并不转发数据帧，这也就会导致MAC地址系统失效。

由于上述故障问题的堆积从而使整个网络处于阻塞状态，并导致网络瘫痪。

3 生成树协议的分析

为了有效地解决冗余链路引发的MAC地址表不稳定、广播风暴、以及重复帧拷贝等问题，生成树协议STP应运而生。

3.1 STP协议的基本思想及算法

（1）基本思想

生成树协议的基本思想非常简单，大多数都知道树木的生长是独立且不环路的，如果网络可以像树木一样生长，那么就不会出现环路这一问题。所以，生成树协议的根本目的就是使存在物理环路的交换网络变成没有环路的逻辑树型网络，从而剪裁多余的冗余环路，并保证链路备份和路径的最优化。

（2）算法

生成树算法，可以有效地管理链路。具体就是：当网络中存在环路，就在逻辑上主动阻断一个或者多个冗余端口，以使接入网络的计算机与其他计算机通讯的时候只有一条链路有效，STP 持续地探测网络，一旦链路出现故障或者网络拓扑发生变化的时候，那么生成树协议就会重新计算网络，并配置端口。这样不仅可以使网络正常运行，还可使其的冗余能力得到保障。

3.2 生成树协议的弊端和增强技术

（1）生成树协议的弊端

生成树协议算法是广泛应用于二层以太网的收敛和治愈，但是由于它是局域网新开发的技术，所以对于现阶段的网络来讲，依旧存在着一些弊端。生成树协议最主要的不足点就是：当网络拓扑发生变化，端口的阻塞状态就会转变为转发状态，并经过学习和侦听两个状态，一般需要30-50 秒的时间延迟，随着人们对网络需求的增强，这也就无法被人们接受。这种网络障碍会带来非常大的损失，尤其在一部分关键的网络中；其次，网络用户缺少生成树的理论概念，这也就使网络拓扑改变容易引起全局波动；最后，缺少VIAN 环境的支持，没有阐明一个或者多个VIAN存在的生成树协议算法，从而导致双光纤链路资源无法得到全部的有效利用。

（2）快速生成树协议

快速生成树协议，即在生成树协议的基础发展而产生的。它不仅可以完成生成树协议的所有功能，还可在物理拓扑或者配置参数出现变化的时候，显著缩短网络的重新收敛时间，降低端口阻塞到转发的延长时间。

（3）多生成树协议

多生成树协议，目前依旧在不断优化，现阶段只能从草案版中获取，现已有制造商在产品中增加了对它的支持。所谓实际案例就是将多个VIAN 集合，并通过多个VIAN 捆绑到一个实例中，省去通信开销和资源占用率。值得注意的是，网络中所有交换机的VIAN 需要和实际案例映射关系保持一致，不然就会影响网络的连通性，为了检测以上错误，多生成协议除了需要携带实例号之外，还要携带与VIAN相对应的信息。

4 结论

综上所述，任何技术的发展都不会因当前的某种理想技术的出现而停止研究，生成树协议的发展就足以说明这一点。而且随着网络应用的逐渐增多，各种新的二层隧道技术不断出现，这也就需要用户和服务提供商共同努力，探索解决交换机冗余链路问题的办法，以保障人们对网络各方面的需求，如网速、网络质量等。