劉 杰，武貴路，周 濤，黃術(shù)東，凃 樸

（1. 重慶郵電大學，重慶 400065；2. 四川文理學院，達州 635000）

支持流量檢測的EPA網(wǎng)橋STP協(xié)議研究與實現(xiàn)

劉 杰1，武貴路1，周 濤1，黃術(shù)東1，凃 樸2

（1. 重慶郵電大學，重慶 400065；2. 四川文理學院，達州 635000）

0 引言

基于STP協(xié)議的EPA網(wǎng)橋設備可通過減少EPA各網(wǎng)段競爭與碰撞來改善網(wǎng)絡性能與安全性。當網(wǎng)絡中EPA網(wǎng)橋相互通信時，工作在網(wǎng)橋中的STP可以保證任意兩個LAN之間只有唯一路徑。EPA網(wǎng)橋中的STP協(xié)議生成“樹形”傳輸鏈路，EPA網(wǎng)橋中的其他鏈路將被阻塞，成為備份鏈路，有效的避免了網(wǎng)絡風暴的發(fā)生。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的實時性，在EPA網(wǎng)橋中引入流量檢測模塊，起到提高網(wǎng)絡帶寬，增強網(wǎng)絡實時性等作用。

1 EPA網(wǎng)橋

依據(jù)EPA標準采用的分層化網(wǎng)絡安全管理措施， EPA網(wǎng)橋[1]是實現(xiàn)EPA網(wǎng)絡內(nèi)各個微網(wǎng)段之間、現(xiàn)場設備層與過程監(jiān)控層之間及遠程網(wǎng)絡間的互連設備。EPA網(wǎng)橋至少兩個EPA接口，可進行冗余配置。EPA網(wǎng)橋是可組態(tài)設備，通過上位機根據(jù)不同EPA網(wǎng)橋ID來判斷設備屬于哪個EPA網(wǎng)橋及異常時的故障定位和隔離；同時，通過組態(tài)EPA網(wǎng)橋?qū)邮盏綕M足特殊要求的EPA報文進行過濾處理并轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄。

由于STP協(xié)議可減少網(wǎng)絡中各網(wǎng)段的競爭與碰撞，因此在EPA網(wǎng)橋中加入STP模塊將改善網(wǎng)絡性能，降低遭受由環(huán)網(wǎng)所致的“網(wǎng)絡風暴”或其他安全風險。EPA網(wǎng)絡是一種工業(yè)級且對實時性要求較高的以太網(wǎng)，所以需要在消除“網(wǎng)絡風暴”等影響的同時盡可能提高網(wǎng)絡帶寬增強網(wǎng)絡實時性。為此，在具有STP協(xié)議的EPA網(wǎng)橋中引入網(wǎng)絡流量檢測功能?？紤]到EPA網(wǎng)橋作為一種嵌入式設備，計算處理能力有限，為減少網(wǎng)橋資源開銷，所以在網(wǎng)橋中通過設置報文計數(shù)器來檢測流經(jīng)該網(wǎng)橋的網(wǎng)絡流量，并在運行該檢測程序前，我們通過一些經(jīng)驗判斷設定閾值，當流經(jīng)此網(wǎng)橋流量（報文目的地址是非廣播報文）超過該閾值，便將阻塞端口打開，如果經(jīng)過一段時間流量又低于閾值，就重新回到阻塞端口狀態(tài)。因此，除根端口和選取端口外，其余端口是打開或阻塞是根據(jù)流量變化情況是否超過閾值而動態(tài)變化的。另外也可通過上位機組態(tài)軟件感知，適時做出打開阻塞端口的決定，達到提高網(wǎng)絡帶寬，平衡網(wǎng)絡負載，增強整個網(wǎng)絡實時性。

2 EPA網(wǎng)橋STP協(xié)議與流量檢測實現(xiàn)

2.1 EPA網(wǎng)橋模塊結(jié)構(gòu)

STP模塊[2]的功能劃分關(guān)系和流量檢測模塊如圖1所示。

圖1 STP模塊功能劃分

從功能上而言，STP模塊劃分為STP主模塊、定時器模塊和管理接口模塊。STP主模塊完成STP算法和協(xié)議的所有操作。定時器模塊為算法的正常運行提供定時服務，結(jié)構(gòu)比較簡單。STP管理接口模塊減少STP與管理子系統(tǒng)的耦合，增強模塊可移植性，對外提供一個透明、操作簡單的接口。流量檢測模塊工作在數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡層，通過設置一個報文計數(shù)器來計數(shù)目的地址是非廣播的報文數(shù)量，起到檢測流經(jīng)該網(wǎng)橋網(wǎng)絡流量的作用。

2.2 STP模塊軟件實現(xiàn)

根橋的選擇。首先都假定自己為EPA根橋；然后廣播配置BPDU報文。此時報文中的Root Identifier與Bridge Identifier相同；當收到另一EPA網(wǎng)橋的配置BPDU報文時，比較報文中的Root Identifier，若值大，則丟棄；否則，更新自身各參數(shù)值，并以新值繼續(xù)向選取端口廣播配置BPDU。

根端口的選擇：EPA網(wǎng)橋根路徑花費值最低、優(yōu)先級最高、端口號最小的原則選擇根端口。

決定LAN的選取EPA網(wǎng)橋：同一LAN中，開始所有EPA網(wǎng)橋都認為自己是選取EPA網(wǎng)橋；然后按根路徑花費最小、優(yōu)先級最高的原則決定選取EPA網(wǎng)橋。只有選取EPA網(wǎng)橋可以接收和轉(zhuǎn)發(fā)幀，其它EPA網(wǎng)橋端口設為阻塞狀態(tài)。

決定選取端口：選取EPA網(wǎng)橋與該LAN相連的端口為選取端口。若多個端口與LAN相連則取最低標識的端口。

除根端口和選取端口外，其它端口將置為阻塞狀態(tài)。在決定根EPA網(wǎng)橋、EPA網(wǎng)橋根端口、以及LAN的選取EPA網(wǎng)橋和選取端口后，STP的拓撲結(jié)構(gòu)也就決定了。

當EPA網(wǎng)橋檢測到網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，它會發(fā)送拓撲變化BPDU，根網(wǎng)橋收到此報文后會發(fā)送配置BPDU。所有EPA網(wǎng)橋都將收到配置BPDU報文并且老化自己過濾數(shù)據(jù)庫中的地址。然后網(wǎng)絡按前述步驟重新確定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。這一過程中EPA網(wǎng)橋中的流量檢測功能也會發(fā)揮應有的作用提高網(wǎng)絡的實時性。

3 實驗與分析

3.1 測試系統(tǒng)平臺

在實驗室測試平臺上搭建如圖2所示故障容錯測試。通過人為制造網(wǎng)絡故障并分析EPA網(wǎng)橋的響應時間來檢驗EPA網(wǎng)橋的故障容錯能力。結(jié)構(gòu)中兩個網(wǎng)段（網(wǎng)段1和2）通過兩個EPA網(wǎng)橋連接，網(wǎng)段1的計算機通過EPA網(wǎng)橋與網(wǎng)段2的EPA設備通信。EPA網(wǎng)橋A有最低的標識符，被選為根橋。端口A1是網(wǎng)段1的選取端口，端口A2是網(wǎng)段2的選取端口。EPA網(wǎng)橋B的端口B1被阻塞，端口B2為根端口。

圖2 故障容錯測試系統(tǒng)

除此之外，通過在具有STP協(xié)議功能的EPA網(wǎng)橋中引入流量檢測模塊，根據(jù)非廣播報文流量是否超過預設流量閾值，適時地打開或阻塞網(wǎng)橋端口。

3.2 測試結(jié)果與測試分析

開啟EPA網(wǎng)橋中STP模塊功能，通過PC機察看抓取的網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)報文，網(wǎng)絡正常穩(wěn)定運行。經(jīng)過一段時間后，關(guān)閉EPA網(wǎng)橋中的STP模塊的功能，繼續(xù)觀察抓取的網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)報文情況[3]，可以很明顯發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包流量明顯不斷增大，最終導致網(wǎng)絡風暴，嚴重影響正常通信。

根據(jù)設備上線工作后EPA網(wǎng)橋端口B1接收發(fā)送UDP報文的情況，測出設備發(fā)送與EPA網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)UDP報文時間相差約2s，報文采用廣播發(fā)送方式。兩個EPA網(wǎng)橋于網(wǎng)絡鏈路中同時工作時，根據(jù)BPDU報文來選用不同端口（如端口A1與端口B1）。當端口A1發(fā)生異常情況后，抓包可以容易看出，備份鏈路端口B1立即開始工作，切換時間平均約6s優(yōu)于IEEE802.1D的故障探測到網(wǎng)絡收斂的時間（大于30s）。

此外，通過人為模擬發(fā)送大量測試報文用以測試EPA網(wǎng)橋工作狀態(tài)和網(wǎng)絡實時性，實驗發(fā)現(xiàn)閾值的選取至關(guān)重要。如果閾值選取得當則能顯著提高網(wǎng)絡帶寬、增強實時性；反之，效果不明顯。這也是接下來需要做的進一步研究。

4 結(jié)束語

本文介紹將網(wǎng)絡流量檢測和STP協(xié)議應用于EPA網(wǎng)橋構(gòu)建和利用冗余鏈路的方法，解決實際工業(yè)控制網(wǎng)絡中“網(wǎng)絡風暴”、實時性和網(wǎng)絡收斂速度慢的問題，并對具體實現(xiàn)進行測試，測試結(jié)果表明基本滿足工業(yè)要求。

[1]向敏,徐洋,楊震斌,張曉輝.基于EPA技術(shù)的網(wǎng)橋設計[J].工業(yè)控制計算機,2006,19(12):1-2.

[2]呂俏,劉啟文,石冰心.STP協(xié)議原理的算法與實現(xiàn)[J].華中理工大學學報,2008,28(1):65-67.

[3]劉洪霞,趙保華.基于協(xié)議實現(xiàn)的網(wǎng)絡安全測試[J].小型微型計算機系統(tǒng),2007,28(4):619-621.

Support traffic measurement EPA Bridges STP research and implementation

LIU Jie1, WU Gui-lu1, ZHOU Tao1, HUANG Shu-dong1, TU Pu2

針對EPA實時以太網(wǎng)在現(xiàn)場環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下易存在網(wǎng)絡風暴和網(wǎng)絡收斂速度慢而導致占用網(wǎng)絡帶寬并影響網(wǎng)絡實時性等弊端，文章研究EPA網(wǎng)橋，設計實現(xiàn)了STP協(xié)議軟件模塊，以解決EPA環(huán)網(wǎng)引起的網(wǎng)絡風暴問題，改善網(wǎng)絡收斂時間并增加流量檢測模塊,根據(jù)網(wǎng)絡流量適時打開網(wǎng)橋阻塞端口，提高網(wǎng)絡帶寬和增強網(wǎng)絡實時性。通過搭建實驗平臺對支持流量檢測EPA網(wǎng)橋STP協(xié)議進行測試分析，結(jié)果表明所提方法能夠縮短EPA網(wǎng)絡收斂為“樹形”的時間并且可以基本滿足工業(yè)以太網(wǎng)絡中實時可靠性要求。

EPA網(wǎng)橋；流量檢測；STP；實時性

劉杰（1985 -），男，碩士生，研究方向為工業(yè)控制網(wǎng)絡。

TP393.1

A

1009-0134(2011)4(上)-0051-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).17

2010-09-10