中级通信工程师互联网技术知识点：生成树网桥

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生成树网桥

生成树(SpanningTree)网桥是一种完全透明的网桥，这种网桥插入电缆后就可以自动完成路由选择功能，无需由用户配置路由表或设置参数，网桥的功能是自己学习获得的。下面从帧转发、地址学习和环路分解三个方面介绍这种网桥的工作原理。

1.帧转发

网桥为了能够决定是否转发一个倾，必须为每个转发端口保存一个转发数据库，该数据库中保存着必须通过该端口转发的左右站的地址。下面通过图5-14说明这种转发机制。图5-14中的网桥102把所有互联网中的站分为两类，分别对应它的两个端口：在LANA,B,D和E上的站在网桥102的LANA端口一边，这些站的地址列在一个数据库中;在LANC和F中的站在网桥102的LANC端口一边，这些站的地址列在另一个数据库中。当网桥收到一个帧时就可以根据目标地址和这两个数据库的内容决定是否把它从一个端口转发到另一个端口。作为一般情况，假设网桥从端口X收到一个MAC帧，则它按以下步骤进行路由决策(见图5-15)。

查找除X端口之外的其他转发数据库。

如果没有发现目标地址，则丢弃帧;如果在某个端口Y的转发数据库中发现目标站地址，并且Y端口没有阻塞，则把收到的MAC帧从Y端口发送出去;若Y端口阻塞，则丢弃该帧。

2.地址学习

以上转发方案假设网桥已经安装入了转发数据库。如果采用静态路由策略，转发信息可以预先装入网桥。还有一种更有效的自动学习机制，可以使网桥自己学习并建立合适的转发数据库。获取转发信息的一种简单方案利用了MAC帧中源地址字段，下面介绍这种学习机制。

如果一个MAC帧从某个端口到达网桥，显然它的源工作站处于网桥的入口LAN-边，从帧的源地址字段可以知道该站的地址，于是网桥就据此更气相应端口的转发数据库。为了应付网络拓扑结构的改变，转发数据库的每一数据项(站地址)都配备一个定时器，当一个新的数据加入数据库时，定时器复位;如果定时器超时，则该数据项被删除，从而相应传输方向的信息失效。每当接收到一个MAC帧时，网桥就取出源地址字段并査看该地址是否在以上假定在数据库中直接存储站地址。如果采用两级地址结构，则数据库只需存储LAN地址部分就可以了，这样可以节省网桥中的存储空间。

3.环路分解—生成树算法

以上介绍的学习算法适用于互联网为树型拓扑结构的情况，即网络中没有环路，任意两个站点之间只有通路。当互联网中出现环路时，这种方法就失效了。下面通过图5-16说明问题是怎样产生的，假定在时刻t0,站丨向站2发送了一个帧，两个网桥都捕获了这个帧并在各自的数据库中把站1地址记录在LANA一边，随之把该帧发往LANB.在稍后的某个时刻tl或t2网桥101和102又收到源地址为站1、目的地址为站2的MAC帧，但这一次是从LANB的方向传来的，这时两个网桥又要更新各自的转发数据库，把站A的地址记在LANB的一边。

由此可见，由环路引起的循环转发破坏了网桥的数据库，使得网桥无法获得正确的转发信息，克服这个问题的思路就是要设法消除环路，从而避免出现相互转发的情况，但图论中有一种提取连通图生成树的简单算法，可以用于互连网络消除其中的环路。在互连网络中，每一个LAN对应于连通图中的一个顶点，而每一个网桥则对应于连通图的一个边，图5-16有环路的局域网互连删去连通图的一边等价于移去一个网桥，凡是构成回路的网桥都可以逐个移去，最后得到的生成树不含回路，又不改变图的连通性。

这里需要一种算法，使得各个网桥之间通过交换信息自动阻塞一些传输端口，从而破坏所有的环路并导出互连网络的生成树。这种算法应该是动态的，即当网络拓扑结构改变时。

网桥能察觉到这种变化，并能导出新的生成树。这里假定：

每一个网桥有MAC地址和优先级，地址和优先级构成网桥的标识符：

有一个特殊的地址用于标识所有网桥;

网桥的每一个端口有标识符，该标识符只在网桥内部有效。

另外，还要建立以下概念。

根桥：作为生成树树根的网桥，例如，可选择地址值最小的网桥作为根桥。

通路费用：为网桥的每一个端口指定一个通路费用，该费用表示通过该端口向其连接的LAN传送一个帧的代价。两个站之间的通路可能要经过多个网桥，这些网桥的有关费用相加就构成了两站之间的通路费用。例如，假定沿路每个网桥端口的费用为1,则两个站之间通路费用就是经过的网桥数。也可以把网桥端口的通路费用与有关LAN的通信速率联系起来。根通路：每一个网桥通句根桥的费用最小的通路。

根端口：每一个网桥与根通路相连接的端口。

指定桥：每一个LAN有一个指定桥，这是在该LAN上提供最小费用根通路的网桥。

指定端口：每一个LAN的指定桥连接该LAN的端口为指定端口，对于直接连接根桥的LAN,根桥就是指定桥，连接根桥的端口即为指定端口。

根据以上建立的概念，生成树算法可采用以下步骤：

(1)确定一个根桥：

(2)确定其他网桥的根端口：

(3)每一个LAN确定一个指定桥和指定端口，如果有两个以上网桥的根通路费用相同，则选择优先级较高的网桥作为指定桥;如果指定桥有多个端口连接LAN,则选取标识符最小的端口为指定端口。

按照以上算法，直接连接两个LAN的网桥中只有一个作为指定桥，其他都删除掉。这就排除了任何两个LAN之间的环路。同理，以上算法也排除了多个LAN之间的环路，同时保持了连通性。应用这个算法导出互连网络生成树的例子如图5-17所示。

为了实现以上算法，网桥之间要交换信息。这种信息以网桥协议数据单元(BPDU)的形式在网桥之间传播。网桥发出的BPDU包括：该网桥的地址标识符和端口标识符;该网桥认为可以作为根桥的地址标识符以及该网桥的根通路费用。

开始时每个网桥都申明自己是根桥并把以上信息广播给所有与它相连的LAN上的网桥。

在每一个LAN上只有一个地址值最小的标识符，只有该网桥可以坚持自己的声明，其他网桥则放弃自己的声明，并根据收到的信息确定自己的根端口，重新计算根通路费用。当这种BPDU在整个互连网络中传播时，所有网桥可最终确定一个根桥，其他网桥据此计算自己的根端口和根通路。在同一个LAN上连接的各个网桥还需根据自己的根通路费用确定指定桥和指定端口。显然，这个过程要求在网桥之间多次交换消息，自认为是根桥的那个网络不断广播自己的声明。图5-17(a)的互连网络中通过交换信息导出生成树的过程如下。

LAN2相连的三个网桥1、3和4选出网桥1为根桥，网桥3把它与LAN2相连的端口确定为根端口。类似地，网桥4把它与LAN2相连的端口确定为根端口。

与LAN1相连的三个网桥1、2、5中选出网桥1为根桥，网桥2和5相应地确定其通路费用和端口。

与LAN5相连的三个网桥通过比较各自的各根通路费用的优先级选出网桥4为指定网桥，其根端口为指定端口。

其他计算过程从略。最后导出的生成树如图5-17(b)所示。只有指定桥的指定端口可转发信息，其他网桥的端口都必须阻塞起来。在生成树建立起来以后，网桥之间还必须周期地转发BPDU,以适应网络拓扑、通路费用以及优先级改变的情况。

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