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1、 以太网交换机快速生成树协议的研究与实现 西南交通大学硕士学位论文以太网交换机快速生成树协议的研究与实现姓名：张劲松申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：徐志根20050401捅晏生成树协议是网络二层设备的基础协议之一，它通过分布式计算使得网络活动拓扑为树型结构，从而有效地防止了网络中回路的出现，避免了由于帧的无限循环和重复接收所导致网络风暴的发生。从最初的（基本生成树协议）到（快速生成树协议）再到后来的（多生成树协议），生成树协议演化出了很多版本，网络活动拓扑的形成和收敛速度也越来越快。目前般的交换机或者交换式桥接器上都实现了，的收敛时间在几十秒钟以内，而且运行该协议所需要的系统
2、资源较少，能满足一般的网络需要。但随着网络速率和规模的越来越大，多媒体的应用越来越普及，几十秒的等待对闻对用户来说难以忍受。为此很多交换机厂商都采取了特有的技术来缩短这个时间，但这些技术之间缺乏兼容性和互操作性。在这种情况下，委员会制定了标准，称为，的收敛时间能控制在秒级。本文以某公司的实际产品开发为背景，对这一技术进行了系统、深入、全面的分析，并在特定的软硬件环境下对的实现进行了详细的介绍，主要工作如下：介绍了实现协议的软硬件载体（以太网交换机、嵌入式操作系统、软件包）。对理论进行了深入的探讨，包括其工作原理、状态机、优点和缺陷等，着重在对标准文档的分析上。并在此基础上给出一个仿真模型，详细
3、描述了计算一个简单的八节点局域网络的根网桥、根端口、指定网桥、指定端口、备份端口和替换端口的全过程。对特定平台下的实现进行了介绍，包括模块设计、数据结构设计、子程序设计等内容。分析了与框架中其它协议模块的关系，并设计了它们之间的重要接口。对本设计进行了客观分析，提出了优化和改进的方法，并进行了比较测试。关键词：交换机；生成树协议；快速生成树协议，他，沓，：（，），：，绪论课题背景交换机是网络的核心设备之一，其技术发展非常迅速。以太网交换机已经走出了当初的桥接框架，广泛应用到汇聚层和骨干层，交换机和路由器逐渐融合的趋势越来越明显。而且当前我国的经济形势良好，持续稳定发展，各行各业对信息化、网络建
4、设和升级的需求都很迫切，这是以太网交换机设备市场强大的驱动力。尤其是电信、金融、政府和教育等大型行业信息化工程的开展、宽带城域网建设力度的加大，对网络和网络设备提出了更高的要求，大大促进交换机市场的增长，特别是高端路由交换机市场的增长。据统计显示，高端路由交换机销量占到以太网交换机总销售量的五分之一，而销售额占市场总销售额的一半，可以看出高端市场是以太网交换机市场的主要利润区。本文来源于某公司的实际项目，在其高端以太网交换机上实现。该项目成员共三人，笔者参与了项目开发的全过程，与项目组成员一道，完成了方案设计、详细设计、编码和测试的工作。国内外研究现状目前生成树协议已经演化出许多版本，性能越来
5、越好，对硬件资源的要求也越来越高。以为例，它是基于多生成树的协议，是当前研究的热点之一，但由于该技术较复杂，主要掌握在国外大公司手中，对于国内的交换机生产厂商来说，才是主流技术。一些低端的设备，比如二层交换机，为了控制成本，一般只要实现就行了。对于高端的交换机，比如三层交换机，甚至是路由交换机，一般要求实现。的收敛速度能控制在秒级，对于大多数网络应用来说，这个收敛时间都能满足需求。从年委员会开始制定该标准以来，历经许多专家学者的修改和完善，协议经受住了实践检验，得到了广大交换机设备厂商的认可和支持。但是我们也应该认识到每一项技术都不是十全十美的，理论也有它的缺陷，还需要继续研究。文档中定义了的
6、内核即个状态机，至于如何实现并不象一样有示例代码。目前能查到的国内外的各种文献也都是对理论的研究，没有具体实现的例子。不同的厂商硬件种类多种多样，软件构架也各不相同，如何在具体的软硬件环境中有效的实现，发挥出的优越性能，有很强的实用意义。研究内容本文主要的研究内容如下：（）深入理解协议，分析其核心算法。（）用一个计算实例对该算法进行验证。（）在框架中实现协议。论文组织结构本文的后续章节主要反映了笔者所涉及的工作，按照以下方式进行组织：第一章：绪论，介绍了本课题的背景、国内外的研究现状、作者的研究内容、论文的组织结构。第二章：软硬件环境，主要介绍了操作系统和软件包以及交换机的一些基础知识。第三章
7、：快速生成树协议介绍，对生成树协议的发展、的理论、参考文档等进行了分析，并在此基础上给出了一个仿真实例。第四章：快速生成树协议的实现，介绍了具体软硬件环境下的实现，包括其模块设计、数据结构设计，子程序设计等内容。第五章：优化和改进，针对本设计，提出了一些优化和改进的方法并做了一些对比测试。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第二章软硬件环境介绍操作系统简介嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的
8、控制、监视或管理等功能。是国际著名的嵌入式实时操作系统的供应商，其产品操作系统是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间的通信。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，雨不必再去关心系统资源的管理。嵌入式软件开发是一种比较复杂的劳动，操作系统性能再好，仅仅依靠人工编程调试很难发挥它的功能，要设计出可靠、高效的嵌入式系统，必须要有与之相适应的开发工具，就是为开发应用系统提供的集成开发环境。针对通信行业的特定应用，还有相应的软件支持包（），在此基础上用户可以快速地开发网络通信产品。任务软件设计时通常将应用划分成独
9、立的、相互作用的程序，当这些程序执行时，我们称之为任务。的任务可以直接或共享访问大多数系统资源，这些任务共同合作来实现整个系统的功能。多任务提供一种机制，使得应用程序可以控制响应多重的、离散的事件，实时内核提供基本的多任务环境。每个任务有自己的上下文（环境、系统资源等），任务由系统内核调度运行，在任务切换时，任务的上下文保存在任务控制块（）中。需要注意的是，与？操作系统不同，操作系统的内存是线性的，所有代码执行在单一的公共地址空间内，因而内存地址空间不属于任务上下文，每个任务各自的地址空间需要虚地址到物理地址的转换映射。任务状态转换任务状态反映任务当前在系统中所处的情形。内核负责维护系统中所有任务的当前状态，一个任务从一个状态变为另一个状态是内核调用的结果。西南交通大学硕士研究生学位论文第页同一时刻，只有一个任务在执行。内核状态有四种基本状态和若干种复合状态。就绪（）处于这种状态的任务除了等待外，不需要等待其他资源。阻塞（）处于这种状态的任务等待的资源目前不可用。睡眠（）处于这种状态的任务由于某时间点未到而休眠。挂起（）处于这种状态的任务不能执行，主要用于出错时的调试。任务调度任务调度是根据一定的规
