无线局域网中STP协议的应用与研究

福建电脑2010年第10期

无线局域网中STP协议的应用与研究

朱智达,冯小春,林高

(台州职业技术学院浙江台州318000)

【摘要】:本文将生成树协议STP应用到无线局域网中,利用彼此交互报文来发现网络中的环路,通过阻塞冗余链路来消除桥接网络中可能存在的路径回环。通过STP协议的应用,消除了因交换网络存在环路时引起的广播环路和桥表损坏,为无线局域网的正常数据传输提供了保障。

【关键词】:无线局域网STP协议网络拓扑

1、研究背景及概述

随着无线局域网技术的进一步与成熟,越来越多的网络开始了使用无线网络用为补充和拓展。但是在实际的运行过程中发现,由于无线网络的独特构架,数据容易在网络中产生拓扑环路,并不断增生和无限循环而造成了网络的阻塞,影响无线网络的正常运行,因此目前在建设无线局域网的过程中普遍引用一种叫STP的新协议来防止这种环路拓扑的产生,而达到无线网络的运用。

STP(Spanning Tree Protocol,生成树协议)是根据IEEE协会制定的802.1D标准建立的,用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。STP包含了两个含义,狭义的STP是指IEEE802.1D中定义的STP协议,广义的STP是指包括IEEE802.1D定义的STP协议以及各种在它的基础上经过改进的生成树协议。运行该协议的设备通过彼此交互报文发现网络中的环路,并有选择的对某些端口进行阻塞,最终将环路网络结构修剪成无环路的树型网络结构,从而防止报文在环路网络中不断增生和无限循环,避免主机由于重复接收相同的报文造成的报文处理能力下降的问题发生。

STP采用的协议报文是BPDU(Bridge Protocol Da-ta Unit,桥协议数据单元),也称为配置消息。STP通过在设备之间传递BPDU来确定网络的拓扑结构。BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树的计算过程。BPDU在STP协议中分为两类:

①配置BPDU(Configuration BPDU):用于进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文。

②TCN BPDU(Topology Change Notification BP-DU):当拓扑结构发生变化时,用于通知相关设备网络拓扑结构发生变化的报文。

2、STP协议在无线局域网中的应用

STP协议在应用中由根桥、根端口、指定桥与指定端口和路径开销四部分概念组成。

①根桥。树形的网络结构,必须要有树根,于是STP 引入了根桥(Root Bridge)的概念。根桥在全网中只有一个,而且根桥会根据网络拓扑的变化而改变,因此根桥并不是固定的。网络收敛后,根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU,其他的设备对该配置BPDU进行转发,从而保证拓扑的稳定。

②根端口。是指一个非根桥的设备上离根桥最近的端口。根端口负责与根桥进行通信。非根桥设备上有且只有一个根端口,根桥上没有根端口。

③指定桥与端口。就一台设备而言的指定桥,是指与设备直接相连并且负责向设备转发BPDU报文的设备;就一个局域网而言的指定桥,则是指负责向本网段转发BPDU报文的设备。就一台设备而言的指定端口,指定桥向本机转发BPDU报文的端口;就一个局域网而言的指定端口,指定桥向本网段转发BPDU报文的端口。

④路径开销。是STP协议用于选择链路的参考值。STP协议通过计算路径开销,选择较为"强壮"的链路,阻塞多余的链路,将网络修剪成无环路的树型网络结构。

STP通过在设备之间传递BPDU来确定网络的拓扑结构。配置消息中包含了足够的信息来保证设备完成生成树的计算过程,其中包含的几个重要信息如下:根桥ID:由根桥的优先级和MAC地址组成;

根路径开销:到根桥的最短路径开销;

指定桥ID:由指定桥的优先级和MAC地址组成;

指定端口ID:由指定端口的优先级和端口名称组成;

配置消息在网络中传播的生存期:Message Age;

配置消息在设备中能够保存的最大生存期:Max Age;

配置消息发送的周期:Hello Time;

端口状态迁移的延时:Forward Delay。

㈠STP算法实现的具体过程

初始状态。各台设备在初始时会生成以自己为根桥的BPDU报文消息,根路径开销为0,指定桥ID为

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自身设备ID ,指定端口为本端口。

最优配置消息的选择。各台设备都向外发送自己的配置消息,同时也会收到其他设备发送的配置消息。

根桥的选择。网络初始化时,网络中所有的STP 设备都认为自己是"根桥",根桥ID 为自身的桥ID 。通过交换配置消息,设备之间比较根桥ID ,网络中根桥ID 最小的设备被选为根桥。

根端口、指定端口的选择。根端口、指定端口的选择过程如下表1所示:

表1根端口和指定端口的选择过程

一旦根桥、根端口、指定端口选举成功,则整个树形拓扑就建立完毕了。下面结合例子说明STP 算法实现的计算过程。具体的组网如图1所示,Device A 的优先级为0,Device B 的优先级为1,Device C 的优先级为2,各个链路的路径开销分别为5、10、4。

经过上表的比较过程,此时以Device A 为根桥的生成树就确定下来了,形状如图2所示。

㈡STP 的配置消息传递机制

①当网络初始化时,所有的设备都将自己作为根桥,生成以自己为根的配置消息,并以Hello Time 为周期定时向外发送。

②接收到配置消息的端口如果是根端口,且接收

的配置消息比该端口的配置消息优,则设备将配置消息中携带的Message Age 按照一定的原则递增,并启动定时器为这条配置消息计时,同时将此配置消息从设备的指定端口转发出去。

③如果指定端口收到的配置消息比本端口的配置消息优先级低时,会立刻发出自己的更好的配置消息进行回应。

④如果某条路径发生故障,则这条路径上的根端口不会再收到新的配置消息,旧的配置消息将会因为超时而被丢弃,设备重新生成以自己为根的配置消息并向外发送BPDU 和TCN BPDU ,从而引发生成树的重新计算,得到一条新的通路替代发生故障的链路,恢复网络连通性。

不过,重新计算得到的新配置消息不会立刻就传遍整个网络,因此旧的根端口和指定端口由于没有发现网络拓扑变化,将仍按原来的路径继续转发数据。如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话,可能会造成暂时性的环路。

㈢STP 定时器

STP 计算中,需要使用三个重要的时间参数:For -ward Delay 、Hello Time 和Max Age 。

①Forward Delay 为设备状态迁移的延迟时间。链路故障会引发网络重新进行生成树的计算,生成树的结构将发生相应的变化。不过重新计算得到的新配置消息无法立刻传遍整个网络,如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话,可能会造成暂时性的路径回环。

为此,生成树协议采用了一种状态迁移的机制,根端口和指定端口重新开始数据转发之前要经历一个中间状态,中间状态经过2倍的Forward Delay 的延时后才能进入Forwarding 状态,这个延时保证了新的配置消息已经传遍整个网络。

②Hello Time 用于设备检测链路是否存在故障。设备每隔Hello Time 时间会向周围的设备发送hello 报文,以确认链路是否存在故障。

③Max Age 是用来判断配置消息在设备内保存时间是否"过时"的参数,设备会将过时的配置消息丢弃。3、STP 协议在无线局域网中的应用价值

在无线局域网中应用生成树协议STP ,利用彼此交互报文发现网络中的环路,通过阻塞冗余链路,来消除桥接网络中可能存在的路径回环,并将环路网络结构修剪成无环路的树型网络结构,防止报文在环路网络中不断增生和无限循环,当前活动路径发生故障时,STP 激活冗余链路恢复网络连通性,消除了因交换网络存在环路时引起的广播环路(广播风暴)、桥表损坏,给无线校园网的数据正常传输提供了保障,使无线局域网得到了很好的应用价值。

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参考文献:

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⑵Andrea Goldsmith[美].无线通信.人民邮电出版社.2007年06月

⑶斯坦尼[意].机械工业出版社出版.2009年01月⑷张继军.基于分组网络的服务质量保证.北京邮电大学出版社.2004年06月

⑸王文魁.校园无线网络的构建及运行模式探讨.中国高新技术企业.2007年10月

构建一种适合学校教学、学生实践的强大的"实训平台",从专业技能、职业素质和外语能力和行业知识等多种维度实施人才培养,并实施就业服务、专家团队支持和全真企业环境模拟等全面质量管理的支持服务。通过人才培养和支持服务体系,学生最终将获得完全就业、熟练技能和国家相关部门认可的职业证书,开始可持续发展的职业生涯。

2.4创新实训内容

专业技能培养分为三个阶段:课程实训、综合课程实践和企业实训。这三个实训阶段为递进关系,贯穿以学习者为中心、学以致用的原则。在实施过程中,借助自主研发的强大实训平台(如课程设计管理系统),实现培养流程的标准化,以及在此基础之上的个性化培养。

课程实训本着"先感性后理性,先实践后理论"的原则,强调基本知识点训练,通过实践升华理论,要求在激发学生兴趣的基础上,完成必备基础知识的建构。基本架构如图:

图2课程实训架构图

综合课程实践是完成几门课程实训后,由学生"个人"完成较完整的项目。如果说课程实训是教师传授知识和学生主动实践并重,那么综合课程实践则是以学生实践为主;如果说课程实训实践的是一门课程的技能,那么综合课程实践则是综合应用若干门课程的知识,解决简单应用问题。综合课程实践一般安排2周时长,学生以个人为单位,独立实践较完整的项目。

企业实训是指模拟企业真实工作环境,以"项目组"的工作方式实现完整的项目开发过程。同综合课程实践一样,这个环节也是以学生为中心的,所不同的是,综合课程实践训练的是个人技能,要求凭借个人知识和能力,解决简单应用问题,而企业实训训练的是团队协作能力,要求组员相互配合,共同解决难度较大的应用问题。

3、实训教学组织模式

IT专业本科教学有它自身的专业特点,即所需仪器设备少,资金少,不需要很多社会实际环境来验证,一般高校都能满足其硬件和软件的需求。所以笔者在综合考虑各种现实条件情况,认为IT专业的实训教学组织模式可以采用如下方式:将实训教学全部安排在校内进行,由学校统一安排教学,统一管理。在实训教学中开设职业素养和专业传播等课程,并定期聘请企业人员进行有关此方面的讲座;最后要邀请IT企业内有丰富实践经验和管理经验的工程技术人员担任至少一门的课程教学,减少校内实训教学与企业真实实训的差距。

4、结束语

湖南工业大学计算机与通信学院的办学定位是为区域经济服务,立足株洲、服务湖南、辐射全国,培养热爱祖国、具有民族精神,适应新世纪社会主义建设需要,满足国家服务外包产业发展,厚基础、宽口径、强能力、高素质、善合作、身心健康、外语水平高、实践能力强,具有创新和创业精神的复合性应用型优秀IT人才。几年来,我们对计算机应用型本科人才培养的模式与途径,从人才培养方案、培养模式、课程体系、教学模式,实践环节等几个方面进行了探索和实践,促进了应用型本科院校计算机教学质量的提高。

实训教学是一个系统的课题,有很多的问题需要进一步的科学论证分析,才能有利于我们高校教育的发展。

参考文献:

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