冗余拓扑与环路

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1、冗余拓扑与环路访问文件服务器、数据库、因特网、企业内部网和企业外部网，这些对于商业成功有着关键作用。如果网络瘫痪了，生产就会蒙受损失，顾客就会不满。因此，在如今的网络工程设计中，冗余设计是考验一个网络稳定的关键环节，链路冗余使网络具有了容错功能，但如何在冗余设计中避免“网络环路”的危害呢？1网络的高可用性所有的网络设计者和管理者都在追寻 1 天 24 小时，1 周 7 天都能正常运行的计算机网络。但达到 100%正常运行是几乎不可能的，所以 99.999%（即“5 个 9”）的可靠性则是一些公司设定的目标。这意味着平均每 30 年才有 1 天的故障时间，平均每 4000 天才有 1 小时的故障

2、时间，平均每年只有 5.25min 的故障时间。此外，对许多企业（如金融机构、医院、ISP 等）而言，如果发生这些故障，则会带来巨大的商业损失。达到 99.999%的可靠性的目标需要极其可靠的网络。就本章而言，网络的可靠性来源于可靠的设备和可以容忍故障和错误的网络设计，为了屏蔽故障，网络应当设计成能够快速收敛。部分局域网在早期的建设中，由于成本的原因并未在设计中考虑冗余问题，而在后期优化工作中则需从网络链路和网络设备两方面着手。条件允许的话最好能够提供不同物理方向的双归属、双路由保护。设备的冗余是指采用冗余配置的单机或多台设备互为热备份，但是一般情况下多台设备互为热备份的方式比较昂贵。因此，生

3、成树技术存在着很大应用需求市场。2冗余拓扑冗余拓扑（Redundant Topologies）的目标是消除由于单点故障引起的网络中断。这就和我们每天上班途经的公路一样，如果正在进行道路维修的话，我们同样可以通过绕行来到达目的地。如图 8-1 中所示，网段 2 中的所有客户端在交换机出现故障时，网络应用不会受到影响。交换机 A 如果出现故障，网络流量依然可以通过交换机 B 到达服务器和路由器。 图 8-1 冗余拓扑网络容错性通过冗余来实现。冗余指的是多于和大于一般情况和正常情况下所应该有的冗余设计可以贯穿整个三层结构（核心、汇聚、接入），每个冗余设计都有针对性，可以选择其中一部分或几部分应用到网

4、络中以针对重要的应用系统。万一网络中某条路径失效时，冗余链路可以提供另一条物理路径。可采用链路聚合（IEEE 802.3ad）实现“端口级”冗余，以克服某个端口或线路引起的故障；也可采用生成树协议（IEEE 802.1d）提供“设备级”的冗余连接。3冗余设计的与环路冲突交换机学习连接到其端口设备的 MAC 地址，以便于工作数据能够正确转发到目的地。在交换机获得设备的 MAC 地址之前，它会把未知的目的地的帧泛洪出去，广播和多播也会被泛洪出去。所以，冗余交换拓扑也会导致广播风暴、帧的反复重传和 MAC 地址表不稳定的问题。从生成树的发展历程来看，透明网桥转发数据帧时，如果有环路，数据帧将会在环路

5、中来回传递，大量增生数据帧，形成广播风暴。如图 8-2 所示，显示了一个核心的数据区域的多环形网络。多环形网络可以实现任何一条链路出现问题都不影响应用，但在环形交换网络中很容易出现“广播风暴”。出现“广播风暴”主要有两种原因：广播和电缆中断引发环路。1）广播环路图 8-3 中说明广播环路的形成。网络两台交换和两台主机，两台交换机之间环形连接，如果没有启用生成树，主机 A 向主机 B 发送广播帧。图 8-2 高可靠多冗余网络示意图图 8-3 广播环路产生示意图假设两台交换机均没有运行生成树，主机 A 发送 MAC 为 FF-FF-FF-FF-FF-FF 的广播帧，由于以太网络是星形或总线形，广播

6、同时发送到 SW-1 和 SW-2 上，当广播帧达到SW-1 1/1 端口时，SW-1 通过端口 1/2 将该广播帧发送给 SW-2 的 1/2 口，SW-2 通过1/1 端口又将该广播帧发给 SW 的 1/1 端口，SW-1 将该数据帧继续通过 1/2 端口继续发给 SW-2 的 1/2 口，这样一个环路形成；另外我们注意到，第一个广播帧也发给 SW-2的 1/1，SW-2 也一样将该广播帧发给 SW-1，这样双向广播形成。在路由网络中不存在这个问题，路由协议为了避免环路的性，有一个参数叫路由老化时间（TTL）。而在以太交换网络中情况却不是这样，可以从以太网帧格式分析出来，如图8-4 所示。

7、 图 8-4 以太网 DIX 版本 2 帧格式在以太网 DIX 版本 2 中，数据帧格式中没有类似 TTL 这样的老化计数器，所以数据帧将在环路的以太网中不停的循环。可以想象，一个简单的默认广播帧在环路中以 2 的 N 次方增生，眨眼间就足以将 100M 的以太网给堵死。在第三层中才有 TTL，随着 TTL 值的不断减小，直到 0 的进修，数据包就会被丢弃。目前有部分厂家的交换机出厂时，默认的 STP 是关闭的，这样就需要提供现场工作人员一定要注意规划网络，或者项目实施的时候打开生成树功能。2）网络链路中断引发环路常见的环路主要是广播环路引起，然而，单播也能引发环路，图 8-5 显示了该环路引

8、发的流程。图 8-5 单播引发的环路假设主机 A 发送一个 Ping 单一包给主机 B，数据包将同时发送到 SW-1 和 SW-2 的1/1 端口上，这时主机 B 临时关机，这是在 SW-2 上，主机 B 的 MAC 地址从 MAC 地址表中被释放，这是 SW-1 的 MAC 表内没有主机 B 的 MAC 地址，直接将该数据包发送给 SW-2 的1/2 端口、，SW-2 收到 SW-1 来的数据包，这时就有可能出现两种情况：SW-2 将广播该数据帧，应该主机 B 的 MAC 地址是新学到的，又重新从 1/1 口发送到回去，这样环路产生。SW-2 从端口 1/2 收到源地址为 AA.AA.AA.AA.AA.AA 的数据包，这是 SW-2 错误的更新他的 MAC 地址表，误认为主机 A 从 1/2 端口学到，造成网络无法正常通信。