基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件分析負(fù)載均衡協(xié)議

引 言

在網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)施時(shí)，時(shí)常會(huì)在特定場合或設(shè)備上配置STP 或PVST 協(xié)議，以解決網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的物理環(huán)路問題。通過這兩個(gè)協(xié)議，可以消除網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生環(huán)路的影響，若靈活采用PVST 協(xié)議，還可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果。

1 STP協(xié)議和 PVST協(xié)議特點(diǎn)

在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施部署過程中，為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，并盡量避免單點(diǎn)故障，時(shí)常會(huì)采用物理環(huán)線的方式來保障網(wǎng)絡(luò)完全， 不論任何一條物理鏈路中斷，都會(huì)有另外一條鏈路接替，從而確保網(wǎng)絡(luò)可正常使用，可靠運(yùn)行。但在交換式以太網(wǎng)中，一旦交換機(jī)接收一個(gè)未知目的地的數(shù)據(jù)幀時(shí)，交換機(jī)將采用轉(zhuǎn)發(fā)方式廣播該幀，在物理環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中將造成廣播風(fēng)暴或交換機(jī) MAC 地址表不穩(wěn)定的后果，甚至導(dǎo)致交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

1.1 STP

在網(wǎng)絡(luò)中最早引入了生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol， STP）來解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。該協(xié)議采用對(duì)應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)了邏輯上的自適應(yīng)斷環(huán)，以防止廣播風(fēng)暴等問題產(chǎn)生。該協(xié)議一般在交換機(jī)上已默認(rèn)開啟。

由于在 STP 協(xié)議的工作原理中，關(guān)于根交換機(jī)的推舉基于交換機(jī)的ID 進(jìn)行判斷，而 ID 由優(yōu)先級(jí)和MAC 地址組成，默認(rèn)優(yōu)先級(jí)是 32768，因而如果在優(yōu)先級(jí)不改變的情況下，根交換機(jī)的推選就依賴于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身的MAC，但MAC 地址一般已燒錄在設(shè)備中，具有不確定性，難以修改。

由于STP 中交換機(jī)選擇根網(wǎng)橋時(shí)，不會(huì)修改交換機(jī) ID 中的優(yōu)先級(jí)字段，使用默認(rèn)值，因此根交換機(jī)的選擇依據(jù)就是其MAC 地址，而 MAC 地址是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，有可能導(dǎo)致性能較差或邊緣化的交換機(jī)被選中為根交換機(jī)等狀況出現(xiàn)，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。且后期可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前的根交換機(jī)失效，面臨不斷重新選取根交換機(jī)的局面，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的使用效果不佳。

1.2 PVST

PVST（Per-VLAN Spanning Tree，PVST）可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同的VLAN 來運(yùn)行獨(dú)立的生成樹實(shí)例，并根據(jù)參數(shù)自定義或優(yōu)化根交換機(jī)的選舉，同時(shí)為每個(gè)VLAN 的數(shù)據(jù)流選擇更優(yōu)的路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體的負(fù)載均衡效果。

2 利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)議分析

2.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

針對(duì) STP、PVST 兩個(gè)協(xié)議的使用場景， 使用 Packet Tracer 仿真設(shè)計(jì)圖 1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用 2 臺(tái) 2960 作為接入層設(shè)備S1、S2，1 臺(tái) 2950T 作為匯聚層設(shè)備S3，針對(duì) 3 臺(tái)交換機(jī)分別新建一個(gè)VLAN 2。將 3 臺(tái)交換機(jī)之間的鏈路均設(shè)置為 trunk 模式。

圖1 網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋱D

2.2 STP場景分析

由于在 Packet Tracer 中使用的 3 臺(tái)交換機(jī)都已默認(rèn)開啟了STP 協(xié)議，在 3 臺(tái)交換機(jī)的特權(quán)模式下可用命令 show spanning-tree 查看已為VLAN 1 和 VLAN 2 開啟的生成樹協(xié)議。

以交換機(jī)S1為例，在VLAN1和VLAN2中RootID的Address均為 0060.479C.3676，即交換機(jī)S2被推舉為根交換機(jī)。原因在于此時(shí)交換機(jī)的默認(rèn)優(yōu)先級(jí)都是 32768，而S2的MAC較小，因此成為該網(wǎng)絡(luò)中的根交換機(jī)。選擇情況如圖 2 所示。

圖2 STP 下S1 中VLAN 1 和VLAN 2 針對(duì)根交換機(jī)的選擇情況

S1 有兩個(gè)接口可以到達(dá) S2，即 F0/15（到達(dá) S2 的Cost 為19 ＋ 19 ＝38） 和 F0/13（ 到達(dá) S2 的 Cost 為 19）， 因此 F0/13是根口，處于 Forword 狀態(tài)。同理S3 的F0/2 也是根口，處于Forword 狀態(tài)。在S1 和S3 之間的鏈路上，需選舉一個(gè)指定口。由于S1 比 S3 的MAC 小，所以 S1 獲勝，其 F0/15 是指定口， 處于Forward 狀態(tài)，S3 的F0/1 就處于Block 狀態(tài)。端口狀態(tài)如圖 3 所示。

圖 3 交換機(jī) S3 中涉及VLAN 1 和VLAN 2 的端口狀態(tài)

當(dāng)使用Ping 命令進(jìn)行跨交換機(jī)，相同 VLAN 主機(jī)的連通性測試時(shí)，可利用 Packet Tracer 模擬狀態(tài) 下的數(shù)據(jù)流進(jìn)行測試。由于S3 的F0/1 處于Block 阻塞狀態(tài)，因而所有經(jīng)過S3 的VLAN 數(shù)據(jù)流都只能通過F0/2 端口轉(zhuǎn)發(fā)，增大了該端口的壓力。

由上可知，在 STP 協(xié)議下，根交換機(jī)的選擇主要取決于其MAC 地址，具有一定的隨機(jī)性，無法較好地保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的最優(yōu)性，同時(shí)也增加了局部設(shè)備端口的負(fù)載壓力。

2.3 PVST場景分析

在交換機(jī)S1 和 S2 的全局配置模式下，輸入以下命令調(diào)整不同 VLAN 設(shè)置較小的優(yōu)先級(jí)值，將S1 作為VLAN 1 的根交換機(jī)，S2 作為VLAN 2 的根交換機(jī)：

S1（config）#spanning-tree vlan 1 priority4096

S2（config）#spanning-tree vlan 2 priority4096

經(jīng)上述配置后，根交換機(jī)情況如圖4 所示。在交換機(jī) S1 中， VLAN 1 的根交換機(jī)指向S1 本身，而 VLAN 2 的根交換機(jī)指向交換機(jī)S2。同時(shí)也可驗(yàn)證，在交換機(jī)S2 中VLAN 1 的根交換機(jī)指向S1 本身，而 VLAN 2 的根交換機(jī)指向交換機(jī)S2。

通過上述描述，可在仿真軟件的 模擬 模式下發(fā)包測試。

從S2 的 PC1 發(fā)出的 ICMP 數(shù)據(jù)流屬于 VLAN 1， 數(shù)據(jù)流經(jīng)過接入層設(shè)備S1 后，從匯聚層設(shè)備 S3 的F0/1 端口轉(zhuǎn)發(fā)至S3 的F0/4 接口中同在VLAN 1 的PC3 主機(jī)。而從S1 的PC2 發(fā)出的ICMP 數(shù)據(jù)流屬于VLAN 2，可見數(shù)據(jù)流經(jīng)過接入層設(shè)備S2 后，從匯聚層設(shè)備 S3 的F0/2 端口轉(zhuǎn)發(fā)至S3 的F0/3 接口中同在VLAN 2 的PC0 主機(jī)。PVST 下S3 各端口的狀態(tài)如圖 5 所示。

圖 4 PVST 下S1 中VLAN 1 和VLAN 2 的根交換機(jī)情況

圖 5 PVST 下S3 各端口狀態(tài)

由測試結(jié)果可知，在PVST 協(xié)議配置模式的作用下，實(shí)現(xiàn)了VLAN 1 和VLAN 2 數(shù)據(jù)流按照網(wǎng)絡(luò)管理人員的規(guī)劃進(jìn)行分流的目的，同時(shí)不同的VLAN 選擇根交換機(jī)的模式更為靈活， 進(jìn)一步保障了網(wǎng)絡(luò)的可用性，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡效果。

3 結(jié) 語

結(jié)合上述分析和仿真結(jié)果，一方面對(duì) STP 和PVST 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究和說明，另一方面對(duì)于二者之間的區(qū)別和聯(lián)系作了分析。從而證明，PVST 協(xié)議在根交換機(jī)的選擇以及負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)可靠性保障上更有優(yōu)勢。