网络设备互联与配置 剑之双仞：冗余环路 6.1 冗余交换型拓扑.doc

PAGE 37 6.1 冗余交换型拓扑 在人们的工作、生活和学习中，交换型局域网得到了广泛的应用。它一旦发生故障，就会给人们带来严重的困扰。因此，随着人们对网络依赖性的不断提高，设计具有良好可靠性和容错性的通信网络，就必须使网络能够弹性应对设备或链路的故障。 通过多条链路、多台设备或者两者结合实现冗余拓扑，是消除交换或桥接型网络单点故障的重要方法。但是，冗余拓扑产生的环路会导致MAC地址表抖动、多帧复制、广播风暴等问题。 本节将详细介绍交换型拓扑冗余及环路消除机制与方法。 6.1.1 冗余交换型拓扑 在交换型或桥接型网络中，单个端口、单条链路或单台网络设备都有可能发生故障和错误，尤其是核心设备及其上的端口、链路故障，将影响整个网络的正常运行。要是网络弹性可靠，减少这些单点故障影响的一个重要方法就是冗余单点，特别是对在整个网络核心链路单点的冗余。当网络产生单点故障时，这些冗余备份的设备、端口、链路立即顶替故障点投入，可尽可能减少连接的丢失、保障网络不间断地运行，使整个网络基本不受影响。 冗余在网络中是必要的。冗余交换型拓扑可以减少网络的停机时间或不可用时间，提高了整个网络的容错能力，增强了网络的健壮性、稳定性、安全性和可靠性。 图6-1为具有冗余拓扑结构的交换网络。交换机Switch-B为冗余的交换机，从主机Host-A经过Switch-B的F0/0、F0/1端口到达主机Host-B的链路是一条冗余备份链路。当主机Host-A与Host-B之间经过Swtich-A的主链路出现单点故障时，交换机 Switch-B形成的冗余备份链路就会立即投入使用，传输主机Host-A与Host-B之间所有数据流量，避免网络由于单点故障导致的不可用或停机，提高了网络整体的可靠性。 图6-1 冗余交换型拓扑示例 冗余拓扑的目的是减少网络因单点故障引起的停机损耗，几乎所有网络都需要通过冗余技术来实现网络的弹性，以提高其稳定性和可靠性。 6.1.2 冗余的危害 图6-1也很明确的显示，交换机Switch-B在实现冗余备份的同时，它与交换机Switch-A的物理拓扑形成了环路。由于物理层和数据链路层协议本身并无消除环路的策略，使得它们上的物理环路结构很容易引起广播风暴、多帧复制及交换机MAC地址表抖动等问题，这也问题会逐渐消耗交换型拓扑的带宽，降低网络的效率，导致整个网络拒绝服务，最终交换机死机瘫痪。 1．广播风暴 广播风暴是指在冗余交换型拓扑结构中，没有使用环路消除措施的情况下，每个交换机都无止境地转发广播帧的情况。 交换机转发广播和组播帧的方式不同于单播帧。为了使广播帧或组播帧能够被转发到启用所有主机或指定的组播组主机，交换机通常将其收到的广播帧或组播帧从除其入站端口以外的所有端口转发出去。由于广播地址和组播地址只能作为目的地址，这些地址帧的信息不会出现在MAC子层的源地址字段中。因此，在冗余交换型拓扑结构的网络中，泛洪的广播帧或组播帧将在每台交换机上无休止的转发，直到交换机的CPU及内存完全被占用，带宽资源耗尽，最终导致广播风暴。 图6-2演示了冗余交换型拓扑结构网络中广播风暴的形成过程。 图6-2 冗余拓扑产生广播风暴 产生广播风暴的过程为： Step1：主机Host-A发送一个广播帧，例如，该帧为一个针对主机Host-B的地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）的请求报文。交换机Switch-A将接收该广播帧； Step2：Switch-A收到数据帧后，查看其目的MAC地址判断其为广播帧，将其从除接收端口外的其余两个端口转发出去； Step3：交换机Switch-B从两个端口接收该广播帧的两份拷贝，也通过其目的MAC地址判断它们为广播帧，并转发至除接收端口外的其它所有端口上。此时，主机Host-B将接收到Host-A广播帧的两份拷贝。 Step4：交换机Switch-B和Switch-A重复上述转发过程，广播帧沿着环路的两个方向不断的在交换机Switch-B和Switch-A间循环往复，无法停止。直至广播流量消耗了交换机的全部CPU、内存及带宽资源，导致交换机死机或关机为止。 广播风暴影响了正常数据帧的传输，甚至影响了交换型网络中的所有设备，因为网络中的每台设备都必须处理广播帧。因此，广播风暴可能导致网络中的主机、服务器、交换机因处理广播帧而无暇顾及传输和处理正常数据流。 2．多帧复制 在冗余拓扑结构中，目标主机可能收到同一数据帧的多个拷贝，称为多帧复制或重复帧传送。由于大多数协议不能识别和处理帧多拷贝情况，会给这些协议带来问题。一般地，像TCP等使用序列号机制的协议假设有很多传输是失败的，并循环使用失败数据包的序列号；其它一些协议将帧多拷贝问题交给如ULP等高层协议来处理，使其无从选择，严重时