Thực đơn
trang chủExcel

Kích thước bộ nhớ đệm

TRONG mạng cục bộ trong đó chức năng của chỉ lớp thứ nhất và lớp thứ hai của mô hình ISO/OSI được triển khai, vấn đề triển khai các đường dẫn thay thế có đặc điểm riêng. Giao thức chuẩn chỉ có thể được sử dụng giống cây cấu trúc liên kết, nghĩa là không chứa các đường viền khép kín.

Thuật toán STA mô tả một mạng ở dạng biểu đồ, các đỉnh của nó là các phân đoạn mạng và các thiết bị chuyển mạch. Điều này được thể hiện trong hình 1. Bộ phận- một phần của mạng không chứa các thiết bị chuyển mạch. Một phân đoạn có thể bao gồm các hub/bộ lặp. Thuật toán thực hiện việc xây dựng cấu trúc liên kết cây của các kênh với một đường dẫn duy nhất có độ dài tối thiểu từ mỗi phân đoạn và từ mỗi chuyển mạch tới công tắc gốc- gốc cây. Một đường dẫn duy nhất đảm bảo không có vòng lặp. Số liệu - giá trị khoảng cách tỷ lệ nghịch băng thông bộ phận. Chuyển id- đây là số 8 byte, trong đó địa chỉ MAC là sáu byte có ý nghĩa nhỏ nhất và hai byte có ý nghĩa nhất được để lại cho quản trị viên cài đặt thủ công công tắc gốc cho thuật toán. Cổng gốc- cổng sử dụng đường dẫn ngắn nhất tới root switch.BPDU - gói đặc biệt, được trao đổi giữa các thiết bị chuyển mạch để xác định số liệu tối thiểu.

Bức tranh 1

Ba giai đoạn xây dựng cây

Hình 2 cho thấy một ví dụ về mạng trong đó thuật toán cây bao trùm sẽ được thực hiện. Thuật toán STA phân tích cấu hình mạng đang hoạt động theo 3 giai đoạn.

Hình 2

Giai đoạn đầu— chúng tôi xác định nút chuyển gốc nơi cây sẽ bắt đầu. Thông thường, nếu quản trị viên không tham gia vào quy trình, một thiết bị có địa chỉ MAC tối thiểu của thiết bị điều khiển sẽ được chọn. Tốt hơn hết là quản trị viên nên tham gia vào quá trình này và chỉ định công tắc gốc dựa trên tính logic và tính phù hợp của lựa chọn. Trong hình, root switch là số 1.

Giai đoạn thứ hai— Chọn cổng gốc cho mỗi switch. Số liệu được xác định bởi các gói BPDU. Hình vẽ cho thấy rằng công tắc số 2 nhận được gói BPDU có số liệu là 0 từ phân đoạn 1 và tăng nó lên 10 đơn vị. Bằng cách chuyển tiếp các gói này, mỗi công tắc sẽ ghi nhớ số lượng tối thiểu về gốc. Nếu các số liệu bằng nhau thì mã định danh của cổng và bộ chuyển mạch sẽ được kiểm tra. Hình minh họa cho thấy switch số 3 chọn cổng số 1 làm cổng gốc, vì số liệu gốc là 10.

Giai đoạn thứ ba— chọn công tắc và cổng được chỉ định. Đối với mỗi phân đoạn mạng, một cổng được chỉ định và một cổng chuyển mạch tương ứng trên phân đoạn đó sẽ được chọn. các cổng khác ngoại trừ các cổng được chỉ định và cổng gốc đều bị chặn (chúng bị gạch bỏ trong hình). Về mặt toán học, người ta đã chứng minh rằng với thuật toán này, các vòng lặp sẽ được loại bỏ trong mạng và một cây bao trùm được hình thành. Sau đó, switch xây dựng bảng khuyến mãi.

Trong tiến trình công việc thường xuyên switch gốc tạo ra các gói BPDU trong một khoảng thời gian nhất định và các cổng được chỉ định sẽ chuyển tiếp các gói này.

Ưu điểm và nhược điểm của STA

Một trong những lợi thế chính của thuật toán này, quyết định cấu hình lại này xảy ra không chỉ khi tính đến các kết nối hiện tại mà còn cả các kết nối trong các phân đoạn mạng từ xa. Những nhược điểm bao gồm nếu có nhiều thiết bị chuyển mạch trong mạng thì thời gian phát hiện hoạt động mới có thể quá dài.

cũng có tác động trực tiếp đến hiệu suất của switch. Bộ nhớ đệm được sử dụng để lưu trữ tạm thời các khung hình trong trường hợp chúng không thể được truyền ngay đến cổng đầu ra. Mục đích chính của bộ nhớ đệm là làm dịu các đợt lưu lượng truy cập cao điểm trong thời gian ngắn. Những tình huống như vậy có thể xảy ra nếu các khung được gửi đến tất cả các cổng của switch cùng một lúc và switch không có khả năng chuyển tiếp các khung đã nhận đến các cổng đích. Bộ nhớ đệm càng lớn thì khả năng mất khung do quá tải càng thấp. Kích thước bộ nhớ đệm có thể được chỉ định tổng hoặc trên mỗi cổng. Để cải thiện hiệu quả sử dụng bộ nhớ đệm, một số kiểu switch có thể phân phối lại bộ nhớ giữa các cổng, vì tình trạng quá tải trên tất cả các cổng là không thể xảy ra.

1.3 Thuật toán cây khung (S.T.A.)

Thuật toán Spanning Tree (STA) cho phép các thiết bị chuyển mạch tự động xác định cấu hình dạng cây của các kết nối trong mạng khi các cổng được kết nối ngẫu nhiên với nhau. Như đã lưu ý, hoạt động bình thường của bộ chuyển mạch yêu cầu không có các tuyến đóng trong mạng. Các tuyến này có thể được quản trị viên tạo riêng để tạo thành các kết nối dự phòng hoặc phát sinh ngẫu nhiên, điều này hoàn toàn có thể xảy ra nếu mạng có nhiều kết nối và hệ thống cáp có cấu trúc hoặc tài liệu kém.

Các bộ chuyển mạch hỗ trợ thuật toán STA sẽ tự động tạo cấu hình liên kết giống như cây đang hoạt động, nghĩa là cấu hình được kết nối không có vòng lặp, trên tập hợp tất cả các liên kết trong mạng. Cấu hình này được gọi là cây bao trùm (đôi khi được gọi là cây chính) và tên của nó đặt tên cho toàn bộ thuật toán. Thuật toán Spanning Tree được mô tả trong tiêu chuẩn IEEE 802.1D, cùng tiêu chuẩn xác định cách hoạt động của các cầu trong suốt.

Switch tìm cây bao trùm một cách thích ứng bằng cách trao đổi các gói dịch vụ. Việc thực hiện thuật toán STA trong switch là rất quan trọng đối với hoạt động trong mạng lưới lớn- nếu bộ chuyển mạch không hỗ trợ thuật toán này thì quản trị viên phải xác định độc lập cổng nào cần được đặt ở trạng thái bị chặn để loại bỏ vòng lặp. Ngoài ra, nếu bất kỳ cáp, cổng hoặc bộ chuyển mạch nào bị lỗi, trước tiên, quản trị viên phải phát hiện thực tế của lỗi và thứ hai, loại bỏ hậu quả của lỗi bằng cách chuyển kết nối dự phòng sang chế độ vận hành bằng cách kích hoạt một số cổng. Khi các bộ chuyển mạch mạng hỗ trợ giao thức Spanning Tree, các lỗi sẽ được phát hiện tự động bằng cách liên tục kiểm tra kết nối mạng với các gói dịch vụ. Sau khi phát hiện mất kết nối, giao thức sẽ xây dựng một cây bao trùm mới, nếu có thể và mạng sẽ tự động phục hồi. Thuật toán Spanning Tree xác định cấu hình mạng đang hoạt động theo ba bước.

Đầu tiên, một root switch được xác định trong mạng, từ đó cây được xây dựng. Công tắc gốc có thể được chọn tự động hoặc do quản trị viên chỉ định. Tại lựa chọn tự động Switch có địa chỉ MAC thấp hơn của bộ điều khiển sẽ trở thành root switch.

Sau đó, ở giai đoạn thứ hai, một cổng gốc được xác định cho mỗi bộ chuyển mạch - đây là cổng có khoảng cách ngắn nhất trên mạng đến bộ chuyển mạch gốc (chính xác hơn là tới bất kỳ cổng nào của bộ chuyển mạch gốc).

Và cuối cùng, ở giai đoạn thứ ba, đối với mỗi phân đoạn mạng, cái gọi là cổng được chỉ định sẽ được chọn - đây là cổng có khoảng cách ngắn nhất từ ​​phân đoạn này đến bộ chuyển mạch gốc. Sau khi xác định được cổng gốc và cổng được chỉ định, mỗi switch sẽ chặn các cổng còn lại không thuộc 2 lớp cổng này. Có thể chứng minh về mặt toán học rằng với việc lựa chọn các cổng hoạt động trong mạng như vậy, các vòng lặp sẽ bị loại bỏ và các kết nối còn lại tạo thành một cây bao trùm (nếu nó có thể được xây dựng bằng các kết nối hiện có trong mạng). Khái niệm khoảng cách đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cây bao trùm. Theo tiêu chí này, một cổng duy nhất được chọn để kết nối mỗi switch với root switch và một cổng duy nhất kết nối từng phân đoạn mạng với root switch.

Trong bộ lễ phục. Hình 4 cho thấy một ví dụ về xây dựng cấu hình cây bao trùm cho mạng gồm 5 đoạn và 5 thiết bị chuyển mạch. Cổng gốc được sơn đè lên màu tối, các cổng được chỉ định không được tô bóng và các cổng bị chặn sẽ bị gạch bỏ. Trong cấu hình hoạt động, switch 2 và 4 không có cổng truyền khung dữ liệu nên chúng được tô bóng để dự phòng.

Hình 5 Xây dựng cây bao trùm bằng thuật toán STA

Khoảng cách đến nút gốc được định nghĩa là tổng thời gian có điều kiện để truyền một bit dữ liệu từ cổng công tắc này tới cổng switch gốc. Trong trường hợp này, giả định rằng thời gian truyền dữ liệu nội bộ (từ cổng này sang cổng khác) của switch là không đáng kể và chỉ tính đến thời gian truyền dữ liệu dọc theo các phân đoạn mạng kết nối các switch. Thời gian phân đoạn có điều kiện được tính bằng thời gian truyền một bit thông tin trong đơn vị 10 nano giây giữa các cổng được kết nối trực tiếp dọc theo phân đoạn mạng. Vì vậy, đối với phân đoạn Ethernet, thời gian này bằng 10 đơn vị thông thường và đối với phân đoạn Token Ring là 16 Mbit/s - 6,25. (Thuật toán STA không liên quan đến bất kỳ tiêu chuẩn cụ thể nào Lớp liên kết, nó có thể được áp dụng cho các thiết bị chuyển mạch kết nối các mạng có công nghệ khác nhau.)

Trong ví dụ được hiển thị, tất cả các phân đoạn được giả định hoạt động ở cùng một tốc độ, do đó chúng có cùng khoảng cách thông thường, do đó không được hiển thị trong hình.

Vì Tự động phát hiện Cấu hình cây hoạt động ban đầu, tất cả các bộ chuyển mạch mạng, sau khi khởi tạo, bắt đầu trao đổi định kỳ các gói đặc biệt được gọi là đơn vị dữ liệu giao thức cầu nối - BPDU (Đơn vị dữ liệu giao thức cầu nối), phản ánh thực tế rằng thuật toán STA ban đầu được phát triển cho các cầu nối.

2 Phần đặc biệt

2.1 Cấu trúcmạng LANsử dụng cầu

2.1.1 Nguyên lý vận hành cầu

Cầu trong suốt

Các cầu nối trong suốt là vô hình đối với bộ điều hợp mạng của các nút cuối, vì chúng xây dựng một bảng địa chỉ đặc biệt, dựa vào đó có thể truyền khung đến đến một số phân đoạn khác hoặc không. Bộ điều hợp mạng khi sử dụng những cây cầu trong suốt, chúng hoạt động theo cách giống hệt như trong trường hợp không có chúng, nghĩa là chúng không lấy bất kỳ hành động bổ sungđể khung đi qua cầu. Thuật toán cầu nối trong suốt độc lập với công nghệ mạng LAN nơi cầu nối được cài đặt, do đó cầu nối trong suốt Ethernet hoạt động giống hệt như cầu nối trong suốt FDDI. Cầu trong suốt xây dựng bảng địa chỉ của nó bằng cách quan sát thụ động lưu lượng truy cập trên các đoạn được kết nối với cổng của nó. Trong trường hợp này, bridge sẽ tính đến địa chỉ của các nguồn khung dữ liệu đến các cổng của bridge. Dựa trên địa chỉ nguồn khung, bridge kết luận rằng máy chủ này thuộc về một phân đoạn mạng cụ thể. Hình 7 minh họa quá trình vận hành của một cây cầu trong suốt.

Trong các mạng chuyển mạch cục bộ, vấn đề đảm bảo độ tin cậy của mạng có những đặc điểm riêng: giao thức cầu nối trong suốt cơ bản chỉ hoạt động chính xác trong mạng có cấu trúc liên kết cây, trong đó có một tuyến đường duy nhất giữa hai nút mạng bất kỳ. Tuy nhiên, rõ ràng là đối với Hoạt động đáng tin cậy Mạng cần các tuyến thay thế giữa các nút có thể được sử dụng nếu tuyến chính bị lỗi. Hầu hết giải pháp đơn giản Vấn đề này liên quan đến việc xây dựng một mạng với các tuyến đường thay thế, tìm kiếm cấu trúc liên kết cây mạch lạc theo cách thủ công và chặn thủ công (nghĩa là đặt ở trạng thái "vô hiệu hóa" quản trị) tất cả các cổng không có trong cấu trúc liên kết được tìm thấy. Trong trường hợp mạng bị lỗi, quá trình này phải được lặp lại một lần nữa trong chế độ thủ công. Rõ ràng là độ tin cậy của mạng trong trường hợp này không cao lắm, vì thời gian nó ở trạng thái không hoạt động sẽ được tính bằng phút: trước tiên, bạn cần phát hiện lỗi và khoanh vùng nó (nghĩa là không chỉ ghi lại lỗi). thực tế là có thứ gì đó đã ngừng hoạt động trong mạng, nhưng hãy hiểu kết nối nào bị hỏng và cần bỏ qua), sau đó tìm một phiên bản mới khả thi của cấu trúc liên kết mạng (tất nhiên nếu nó tồn tại), sau đó định cấu hình nó.

Vì thực hiện tự động các hành động được liệt kê, nghĩa là tìm và định cấu hình cấu trúc liên kết cây đang hoạt động, giám sát trạng thái kết nối của nó và chuyển sang cấu trúc liên kết cây mới khi phát hiện lỗi giao tiếp trong các mạng cục bộ chuyển mạch được sử dụng thuật toán cây bao trùm(Thuật toán Spanning Tree, STA) và triển khai nó giao thức cây bao trùm(Giao thức cây bao trùm, STP).

Thuật toán cây bao trùm, được phát triển cách đây khá lâu, vào năm 1983, được IEEE công nhận là một giải pháp thành công và được đưa vào cùng đặc tả 802.1D, mô tả chính thuật toán cầu trong suốt. Ngày nay, giao thức STP được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị phổ biến nhất của mạng cục bộ hiện đại - bộ chuyển mạch. Giao thức STP đã được cập nhật nhiều lần, phiên bản mới nhất được mô tả trong tài liệu 802.1D-2004; Một phiên bản mới giao thức được gọi là RSTP (STP nhanh, nghĩa là giao thức cây bao trùm nhanh), vì những phiên bản trước STP không tìm thấy cấu trúc liên kết cây mới đủ nhanh - có thể mất tới 50 giây. Phiên bản mới của giao thức cây bao trùm, RSTP, nhanh hơn nhiều, chỉ mất vài giây để tìm cấu trúc liên kết mới.

Đầu tiên chúng ta sẽ xem xét phiên bản cổ điển của STP và sau đó là phiên bản tùy chọn nhanh-RSTP.

Phiên bản STP cổ điển

Giao thức STP chính thức hóa mạng (Hình 14.1, a) dưới dạng biểu đồ (Hình 14.1, 6 ), các đỉnh của chúng là các thiết bị chuyển mạch và các phân đoạn mạng.

Phân đoạn là một phần được kết nối của mạng không chứa bộ chuyển mạch (và bộ định tuyến). Một phân đoạn có thể được chia sẻ (tại thời điểm thuật toán STA được tạo, đây là loại phân đoạn duy nhất) và bao gồm các thiết bị lớp vật lý - bộ lặp/hub, sự tồn tại của bộ chuyển mạch, là một thiết bị lớp liên kết, “không nhận thấy .” Một phân đoạn cũng có thể là một mạch điểm-điểm; trong mạng LAN chuyển mạch đây là loại phân đoạn duy nhất.

Cơm. 14.1. Biểu diễn chính thức của mạng theo thuật toán STA

Giao thức cây bao trùm cung cấp việc xây dựng cấu trúc liên kết dạng cây cho các kết nối với cách duy nhấtđộ dài tối thiểu từ mỗi switch và từ mỗi đoạn tới một switch gốc chuyên dụng nào đó - gốc của cây. Tính duy nhất của đường dẫn đảm bảo không có vòng lặp và khoảng cách tối thiểu đảm bảo tính hợp lý của các tuyến lưu lượng từ ngoại vi của mạng đến đường trục của nó, vai trò của nó được thực hiện bởi bộ chuyển mạch gốc.

Khoảng cách được sử dụng trong STA là số liệu- một giá trị truyền thống cho các giao thức định tuyến, tỷ lệ nghịch với thông lượng của phân đoạn. Trong STA, số liệu cũng được định nghĩa là thời gian truyền bit có điều kiện theo phân đoạn. Trong phiên bản 802.1D-1998 giá trị này là 16 bit và trong phiên bản 802.1D-2004 là 32 bit.

Trong phiên bản 1998, các giá trị số liệu sau đã được chọn: 10 Mbit/s - 100, 100 Mbit/s - 19, 1 Gbit/s - 4, 10 Gbit/s - 2. V Phiên bản hiện tại 802.1D-2004 sử dụng các giá trị số liệu mở rộng phạm vi tốc độ phân đoạn lên 10 Tbit/s (nghĩa là từ nguồn cung lớn so với tốc độ Ethernet tối đa ngày nay là 10 Gbit/s), Cho phân đoạn như vậy có giá trị là 2; theo đó, phân đoạn 100 Gbit/s nhận giá trị 200, 10 Gbit/s - 2000, 1 Gbit/s - 20.000, 100 Mbit/s - 200.000 và 10 Mbit/s - 2.000.000.

Chuyển id là một số 8 byte, sáu byte thấp hơn tạo thành địa chỉ MAC của đơn vị điều khiển của nó, xử lý thuật toán STA (hãy nhớ rằng các cổng switch và bridge không yêu cầu địa chỉ MAC để thực hiện chức năng chính của chúng) và hai byte nhiều nhất Các byte quan trọng được gọi là mức độ ưu tiên của bộ chuyển mạch (giá trị mặc định là 32.768) và được cấu hình thủ công, như chúng ta sẽ thấy sau, cho phép quản trị viên mạng tác động đến quá trình lựa chọn bộ chuyển mạch gốc.

Cổng gốc switch là cổng có khoảng cách ngắn nhất tới root switch (chính xác hơn là tới bất kỳ cổng nào của root switch).

Mã cổng phục vụ như một số 2 byte. Byte thấp chứa số thứ tự của cổng này trong bộ chuyển mạch và giá trị của byte cao là mức độ ưu tiên (giá trị mặc định là 128) và được quản trị viên đặt.

Công tắc được chỉ định phân đoạn, một switch được khai báo có khoảng cách đến switch gốc là tối thiểu.

Cổng được chỉ định là cổng chuyển mạch phân đoạn được chỉ định kết nối với phân đoạn này.

Đơn vị dữ liệu giao thức cầu nối(Đơn vị dữ liệu giao thức cầu nối, BPDU) là các gói đặc biệt được trao đổi định kỳ giữa các bộ chuyển mạch để tự động xác định cấu hình cây. Các gói BPDU mang thông tin về switch và ID cổng, cũng như khoảng cách đến switch gốc. Có hai loại tin nhắn mang các gói BPDU: tin nhắn cấu hình, còn được gọi là tin nhắn Hello và tin nhắn thông báo thay đổi cấu hình. Để phân phối BPDU, địa chỉ nhóm 01:80:С2:00:00:00 được sử dụng, cho phép bạn tổ chức trao đổi hiệu quả dữ liệu.

Xin chào khoảng thời gian- đây là khoảng thời gian giữa việc tạo tin nhắn Hello; nó được quản trị viên cấu hình và thường nằm trong khoảng từ 1 đến 4 giây; mặc định là 2 giây.

Ba giai đoạn xây dựng cây

Trong bộ lễ phục. Hình 14.2 cho thấy một mạng ví dụ từ tiêu chuẩn 802.1D-2004 minh họa hoạt động của giao thức STP. Chúng tôi cũng sẽ sử dụng ví dụ này trong mô tả của chúng tôi.

Trong ví dụ này, mạng được xây dựng trên tám bộ chuyển mạch có số nhận dạng có giá trị từ 111 đến 888 (để dễ ghi, địa chỉ MAC của bộ chuyển mạch được viết tắt thành 3 chữ số). Tất cả các switch được kết nối với nhau bằng các liên kết điểm-điểm tạo thành các phân đoạn MỘT. Cổng 3 và 4 của các thiết bị chuyển mạch từ 555 đến 888 được kết nối với các nút cuối của mạng, tức là máy tính (không hiển thị trong hình). Tất cả các kết nối trong mạng đều là kết nối có tốc độ 100 Mbit/s ( Ethernet nhanh).

Thuật toán STA xác định cấu hình mạng đang hoạt động theo ba bước.

Giai đoạn đầu- định nghĩa của root switch mà từ đó cây được xây dựng.

Công tắc với giá trị nhận dạng nhỏ nhất. TRONG tình trạng ban đầu Mỗi switch tự coi mình là root switch, vì vậy nó tạo và gửi các tin nhắn Hello đến các láng giềng của nó, trong đó nó đặt mã định danh của nó làm mã định danh của root switch. Khi một switch nhận được tin nhắn Hello từ một Neighbor có chứa ID switch gốc nhỏ hơn ID của chính nó, nó sẽ không còn coi mình là switch gốc nữa và tạo ra các tin nhắn Hello của riêng nó mà bắt đầu chuyển tiếp các tin nhắn Hello nhận được từ các Switch lân cận.

Cơm. 14.2. Một mạng ví dụ minh họa hoạt động của STP

Nếu quản trị viên không can thiệp vào quá trình này, công tắc gốc được chọn khá ngẫu nhiên - nó sẽ trở thành thiết bị có địa chỉ MAC tối thiểu của thiết bị điều khiển. Rõ ràng, sự lựa chọn như vậy có thể không hợp lý. Ví dụ: nếu công tắc 555 được chọn làm công tắc gốc, một phần lưu lượng đáng kể sẽ đi qua một số lượng lớn các phân đoạn chuyển tuyến và chuyển mạch. Vì thế hãy để quá trình này Quản trị viên không nên “để tùy cơ ứng biến” - tốt hơn là nên can thiệp và chỉ định công tắc gốc một cách có ý thức (bằng cách định cấu hình thích hợp các byte cao của mã định danh công tắc) để công tắc được chọn thực sự chiếm vị trí trung tâm trong các kết nối phân đoạn.

Trong ví dụ của chúng tôi, chúng tôi giả định rằng quản trị viên không thay đổi mức độ ưu tiên của switch, do đó tất cả các switch vẫn ở giá trị mặc định là 32.768 và switch ID 111 trở thành switch gốc.

Giai đoạn thứ hai- lựa chọn cổng gốc cho mỗi switch.

Cổng gốc của switch là cổng mà khoảng cách đến switch gốc là nhỏ nhất. Bản thân root switch không có cổng root.

Để xác định cổng gốc, mỗi switch sử dụng các gói Hello được chuyển tiếp đến nó bởi các switch khác. Dựa trên các gói này, mỗi switch xác định khoảng cách tối thiểu từ tất cả các cổng của nó đến switch gốc. Khi chuyển tiếp tin nhắn Hello, mỗi switch sẽ tăng khoảng cách đến gốc được chỉ định trong tin nhắn theo số liệu của phân đoạn mà nó được nhận. Gói hiện tại. Do đó, trong gói Hello, khi nó đi qua các switch, trường hiển thị khoảng cách đến switch gốc sẽ tăng lên. Ví dụ: nếu chúng ta giả sử rằng tất cả các phân đoạn trong ví dụ là các phân đoạn Ethernet 100 Mbps thì chuyển mạch 222, lấy từ phân đoạn MỘT gói Hello có giá trị khoảng cách bằng 0 sẽ tăng thêm 200.000 đơn vị tùy ý (nếu bộ chuyển mạch hoạt động với các giá trị số liệu được khuyến nghị bởi phiên bản 2004 của tiêu chuẩn STP).

Bằng cách chuyển tiếp các gói, mỗi switch cho mỗi cổng của nó sẽ ghi nhớ khoảng cách tối thiểu đến gốc gặp phải trong tất cả các gói Hello mà cổng này nhận được. Sau khi hoàn thành quy trình cấu hình cây bao trùm, mỗi switch sẽ tìm thấy cổng gốc của nó (với khoảng cách tối thiểu đến gốc).

Nếu các số liệu bằng nhau, các giá trị của số nhận dạng chuyển mạch và cổng được sử dụng để giải quyết sự mơ hồ trong quy trình chọn khoảng cách tối thiểu. Ưu tiên cho các cổng và switch có ID thấp nhất. Ví dụ: trên switch 222, cổng 1 và 2 có cùng khoảng cách với root switch 111 - cả hai cổng này đều được kết nối trực tiếp qua các đoạn MỘT Và TRONG với công tắc

có nghĩa là họ nhận được các gói Hello có số liệu bằng 0. Vì mã định danh của cổng 1 nhỏ hơn mã định danh của cổng 2 nên cổng 1 được chọn làm cổng gốc của switch 222.

Vì lý do tương tự, cổng gốc của switch 555 trở thành cổng 1 chứ không phải cổng 2. Cả hai cổng này đều nhận được tin nhắn Hello được tạo bởi root switch 111, với giá trị số liệu thấp nhất là 200.000. Cổng 1 nhận được các tin nhắn này dọc theo tuyến đường: switch 111 cổng 1 - đoạn VỚI- cổng 1 của switch 333 - cổng 6 của switch 333 - đoạn G, tương ứng, cổng 2 nhận chúng dọc theo tuyến: cổng 3 của switch 111 - đoạn E - cổng 1 của switch 444 - cổng b của switch 444 - đoạn TÔI.

Giai đoạn thứ ba - lựa chọn các thiết bị chuyển mạch và cổng được chỉ định cho từng phân đoạn mạng.

Công tắc được chỉ định là công tắc (trong số các công tắc được kết nối trực tiếp với phân đoạn này) có khoảng cách đến cầu gốc là tối thiểu (chính xác hơn là khoảng cách từ cổng gốc của công tắc này đến công tắc gốc). Các cổng được chỉ định cho các phân đoạn có vai trò giống như các cổng gốc cho các bộ chuyển mạch - chúng nằm trên đường đi ngắn nhất tới bộ chuyển mạch gốc.

Giống như việc lựa chọn cổng gốc, một thủ tục phân tán được sử dụng ở đây. Trước hết, mỗi bộ chuyển mạch phân đoạn sẽ loại trừ cổng gốc của nó khỏi việc xem xét (đối với phân đoạn mà nó được kết nối, luôn có một bộ chuyển mạch khác nằm gần gốc hơn). Đối với mỗi cổng còn lại, khoảng cách tối thiểu tới cổng gốc được chấp nhận cho chúng sẽ được so sánh (ngay cả trước khi tăng số liệu phân đoạn) với khoảng cách đến cổng gốc của cổng gốc của bộ chuyển mạch này. Nếu tất cả khoảng cách nhận được trên cổng này lớn hơn khoảng cách từ cổng gốc của chính nó, thì đối với đoạn mà cổng được kết nối, đường đi ngắn nhất đến bộ chuyển mạch gốc sẽ đi qua nó và nó trở thành bộ chuyển mạch được chỉ định. Switch tạo tất cả các cổng mà điều kiện này được gán đúng. Khi có nhiều cổng có cùng khoảng cách ngắn nhất tới root switch, cổng có ID nhỏ nhất sẽ được chọn.

Trong ví dụ này, switch 111, khi kiểm tra cổng 1, phát hiện ra rằng các gói có khoảng cách tối thiểu 200.000 được nhận qua cổng này (đây là các gói từ cổng 1 của switch 222, chuyển tiếp các tin nhắn Hello nhận được từ switch 111 qua tất cả các cổng của nó, nhưng đặc biệt là với số liệu đã thay đổi, sẽ truyền chúng tới chuyển mạch 111). Vì switch 111 là root switch nên khoảng cách của nó tới root switch bằng 0, tức là nhỏ hơn các tin nhắn nhận được qua cổng 1. Do đó, switch 1 quảng cáo cổng 1 của nó là cổng được chỉ định cho phân đoạn MỘT. Switch 222 không thể quảng cáo cổng 1 của nó như được gán cho phân đoạn MỘT, vì thông qua nó, nó nhận được các tin nhắn có số liệu tối thiểu là 0 và cổng gốc của nó có số liệu là 200.000.

Theo mặc định, các bộ chuyển mạch mạng có 15 giây để hoàn thành cả ba giai đoạn. Giai đoạn hoạt động của cổng này được gọi là giai đoạn lắng nghe vì các cổng chỉ lắng nghe các bản tin BPDU và không truyền khung dữ liệu của người dùng. Các cổng được coi là ở trạng thái bị chặn, trạng thái này chỉ áp dụng cho các khung của người dùng trong khi các khung BPDU đang được xử lý. Trong giai đoạn lắng nghe, mỗi switch dự kiến ​​sẽ nhận được bao nhiêu gói Hello cần thiết để xác định trạng thái các cổng của nó.

Tất cả các cổng khác, ngoại trừ cổng gốc và cổng được chỉ định, đều bị chặn bởi mỗi switch và không thể truyền khung của người dùng. Về mặt toán học, người ta đã chứng minh rằng với sự lựa chọn cổng hoạt động này trong mạng, các vòng lặp sẽ bị loại bỏ và các kết nối còn lại hình thành cây che phủ(nếu nó có thể được xây dựng hoàn toàn bằng các kết nối hiện có trong mạng).

Kết quả của giao thức STP trong ví dụ của chúng tôi được hiển thị trong Hình. 14.3.

Trong hình các cổng gốc của switch được đánh dấu bằng ký hiệu R, các cổng được chỉ định sẽ được tô bóng và các cổng bị chặn sẽ bị gạch bỏ.

Sau khi xây dựng cây bao trùm, switch bắt đầu chấp nhận (nhưng không chuyển tiếp) các gói dữ liệu và xây dựng bảng chuyển tiếp dựa trên địa chỉ nguồn của chúng. Cái này chế độ bình thườngđào tạo một cây cầu trong suốt, mà trước đây không thể kích hoạt được vì cổng không chắc chắn rằng nó sẽ vẫn là root hoặc được chỉ định và truyền các gói dữ liệu. Giai đoạn học tập cũng được duy trì trong khoảng thời gian 15 giây. Đồng thời, cổng tiếp tục tham gia vào hoạt động của thuật toán STA, do đó các gói BPDU đến với thông số tốt nhấtđặt nó ở trạng thái bị khóa.

Và chỉ sau khi đợi hai lần trên bộ hẹn giờ, cổng sẽ chuyển sang giai đoạn chuyển tiếp và bắt đầu chuyển tiếp các khung người dùng theo bảng đã xây dựng (tiếp tục được sửa đổi, phản ánh những thay đổi trong cấu trúc mạng). Trên thực tế, trong ví dụ của chúng tôi, chỉ các chuyển mạch 111.333 và 555 đến 888 mới tham gia chuyển tiếp gói người dùng sau khi xây dựng cấu trúc liên kết hoạt động.

Trong tiến trình hoạt động binh thương switch gốc tiếp tục tạo các gói Hello và các switch còn lại nhận chúng thông qua các cổng gốc của chúng và chuyển tiếp chúng qua các cổng được chỉ định. Một switch có thể không có các cổng chuyên dụng như switch 222 và 444, nhưng nó vẫn tham gia vào giao thức STA vì cổng gốc nhận các gói BPDU dịch vụ.

Cơm. 14.3. Cấu trúc liên kết hoạt động được tìm thấy thông qua giao thức STP

Nếu sau khi hết thời gian tồn tại của tin nhắn tối đa (mặc định là 10 khoảng thời gian Hello, tức là 20 giây), cổng gốc của bất kỳ bộ chuyển mạch mạng nào không nhận được gói dịch vụ Hello thì nó sẽ khởi tạo thủ tục mới xây dựng một cây bao trùm. Trong trường hợp này, gói Hello được tạo và truyền đến tất cả các cổng, trong đó switch tự nhận mình là root. Các bộ chuyển mạch mạng khác hoạt động theo cách tương tự, trong đó bộ hẹn giờ hết thời gian tồn tại của tin nhắn tối đa đã hết, do đó một cấu hình hoạt động mới được chọn.

Khi cấu trúc liên kết hoạt động thay đổi, thông tin địa chỉ trong bảng chuyển tiếp của thiết bị chuyển mạch có thể không còn chính xác do một số cổng thay đổi từ hoạt động sang bị chặn và ngược lại. Việc sử dụng thông tin địa chỉ lỗi thời có thể dẫn đến việc các khung được gửi sai hướng trong một thời gian và không đến được người nhận. Thông báo thay đổi cấu hình (một loại gói BPDU đặc biệt) được truyền đi khắp mạng để thông báo cho bộ chuyển mạch rằng đã có thay đổi cấu trúc liên kết trong mạng và thông tin địa chỉ cũ cần phải được xóa.

Trong các mạng chuyển mạch cục bộ, vấn đề đảm bảo độ tin cậy của mạng có những đặc điểm riêng: giao thức cầu nối trong suốt cơ bản chỉ hoạt động chính xác trong mạng có cấu trúc liên kết dạng cây, trong đó có một tuyến đường duy nhất giữa hai nút mạng bất kỳ. Tuy nhiên, rõ ràng là để mạng hoạt động đáng tin cậy, cần phải có các tuyến thay thế giữa các nút có thể được sử dụng nếu tuyến chính bị lỗi. Giải pháp đơn giản nhất cho vấn đề này là xây dựng một mạng với các tuyến thay thế, tìm cấu trúc liên kết cây mạch lạc theo cách thủ công và chặn thủ công (nghĩa là đặt nó ở trạng thái "vô hiệu hóa" quản trị) tất cả các cổng không có trong cấu trúc liên kết được tìm thấy. Trong trường hợp mạng bị lỗi, quá trình này phải được lặp lại một cách thủ công. Rõ ràng là độ tin cậy của mạng trong trường hợp này không cao lắm, vì thời gian nó ở trạng thái không hoạt động sẽ được tính bằng phút: trước tiên, bạn cần phát hiện lỗi và khoanh vùng nó (nghĩa là không chỉ ghi lại lỗi). thực tế là có thứ gì đó đã ngừng hoạt động trong mạng, nhưng hãy hiểu kết nối nào bị hỏng và cần bỏ qua), sau đó tìm một phiên bản mới khả thi của cấu trúc liên kết mạng (tất nhiên nếu nó tồn tại), sau đó định cấu hình nó.

Để tự động thực hiện các hành động trên, nghĩa là tìm và định cấu hình cấu trúc liên kết cây đang hoạt động, theo dõi trạng thái kết nối của nó và chuyển sang cấu trúc liên kết cây mới khi phát hiện lỗi giao tiếp trong các mạng cục bộ được chuyển đổi, Thuật toán Cây Spanning (STA) và giao thức cây bao trùm triển khai nó được sử dụng (Giao thức cây bao trùm, STP).

Thuật toán cây bao trùm, được phát triển cách đây khá lâu, vào năm 1983, được IEEE công nhận là một giải pháp thành công và được đưa vào cùng đặc tả 802.1D, mô tả chính thuật toán cầu trong suốt. Ngày nay, giao thức STP được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị phổ biến nhất của mạng cục bộ hiện đại - bộ chuyển mạch. Giao thức STP đã được cập nhật nhiều lần, phiên bản mới nhất được mô tả trong tài liệu 802.1D-2004; phiên bản mới của giao thức được gọi là RSTP (STP nhanh, nghĩa là giao thức cây bao trùm nhanh), vì các phiên bản trước của STP không tìm thấy cấu trúc liên kết cây mới đủ nhanh - quá trình này có thể mất tới 50 giây. Phiên bản mới của giao thức cây bao trùm, RSTP, nhanh hơn nhiều, chỉ mất vài giây để tìm cấu trúc liên kết mới.

2. Các giai đoạn xây dựng cây bao trùm.

Thuật toán Spanning Tree (STA) được mô tả trong tiêu chuẩn IEEE 802.1D và cho phép bạn loại bỏ các vòng lặp trong mạng (nếu có các tuyến vòng trong mạng, điều này có thể dẫn đến hoạt động không chính xác của cầu nối và công tắc). Thuật toán STA chọn một tập hợp con từ tất cả các kết nối có sẵn trong mạng, tạo thành một cây bao phủ tất cả các nút mạng. Thuật toán STA bao gồm bốn giai đoạn.

Một switch gốc được chọn trong mạng, nó sẽ được coi là gốc của cây. Việc lựa chọn diễn ra tự động (công tắc có địa chỉ MAC thấp nhất của thiết bị điều khiển sẽ trở thành công tắc gốc) hoặc được thực hiện bởi quản trị viên.

Đối với mỗi switch, một cổng gốc được xác định - cổng mà đường dẫn ngắn nhất đến root switch đi qua.

Đối với mỗi phân đoạn mạng, một cổng được chỉ định sẽ được chọn - cổng mà qua đó đường đi ngắn nhất đi từ phân đoạn này đến bộ chuyển mạch gốc.

Tất cả các cổng không có trong thư mục gốc và các cổng được chỉ định đều bị chặn.

Khi xác định khoảng cách ngắn nhất, tổng thời gian (tính bằng đơn vị 10 nano giây) để truyền một bit dữ liệu từ cổng đã chọn đến bộ chuyển mạch gốc sẽ được tính toán (chỉ tính đến thời gian truyền trên các liên kết giữa các bộ chuyển mạch). Ví dụ: đối với phân đoạn Ethernet, thời gian truyền là 10 và đối với Fast Ethernet là 1.

Tất cả các thiết bị chuyển mạch trao đổi định kỳ các gói dịch vụ - Đơn vị dữ liệu giao thức cầu nối (BPDU), chứa mã định danh của bộ chuyển mạch gốc, khoảng cách đến gốc, mã định danh của bộ chuyển mạch đã phát hành gói này, mã định danh của cổng mà gói được cấp và một số lĩnh vực dịch vụ khác. Sau khi bật, mỗi công tắc tự coi mình là công tắc gốc (trừ khi được quản trị viên chỉ định khác) và phát hành các gói BPDU với mã định danh của nó trong trường “định danh công tắc gốc” và khoảng cách đến nút gốc bằng 0 thông qua tất cả các cổng của nó. Nếu một switch nhận được một BPDU trong đó mã định danh của switch gốc nhỏ hơn mã định danh của chính nó, thì nó sẽ ngừng tạo các gói của chính nó và chuyển tiếp các gói đến từ switch gốc mới, tăng trường “khoảng cách đến root” trong chúng theo điều kiện thời gian của phân đoạn mà gói tin này đến. Trong trường hợp này, switch ghi nhớ cho mỗi cổng khoảng cách tối thiểu đến gốc (của tất cả các gói BPDU đến trên cổng này).

Bởi vì thời gian quy định quá trình cấu hình kết thúc và switch coi cổng gốc là cổng có khoảng cách đến cổng gốc là tối thiểu (nếu có nhiều cổng như vậy thì cổng có mã định danh nhỏ nhất sẽ được chọn). Sau đó, nó chỉ định tất cả các cổng có khoảng cách tối thiểu đến cổng gốc lớn hơn khoảng cách đến cổng gốc của cổng gốc. Cuối cùng, tất cả các cổng ngoại trừ cổng gốc và cổng được chỉ định đều được đặt ở trạng thái bị chặn. Trong quá trình hoạt động tiếp theo, switch gốc tiếp tục tạo các gói BPDU và các switch còn lại tiếp tục chuyển tiếp chúng. Nếu cho cài đặt thời gian hết thời gian chờ, cổng gốc của bất kỳ switch nào sẽ không nhận được BPDU, nó sẽ bắt đầu một quy trình xây dựng mới