摘要：以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中取得了巨大的成功，但是在城域網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中仍需要解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的相關(guān)問題。根據(jù)不同的以太網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，文章分析了幾種環(huán)路檢測的解決方案，包括生成樹協(xié)議(STP)、以太網(wǎng)環(huán)路保護(hù)切換協(xié)議(ERPS)、環(huán)回檢測和成環(huán)點定位技術(shù)。其中，成環(huán)點定位技術(shù)新穎實用，非常適合各種以太網(wǎng)局域網(wǎng)和城域網(wǎng)，對于以太網(wǎng)的運行和維護(hù)都有很大的意義。目前，全球的標(biāo)準(zhǔn)組織均正在積極對以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷成熟，以太網(wǎng)的環(huán)路檢測技術(shù)將逐步降低以太網(wǎng)的環(huán)路風(fēng)險，提高以太網(wǎng)的可靠性，便于網(wǎng)絡(luò)的管理。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；環(huán)路；檢測；可靠性

1 以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)路

在城域網(wǎng)和局域網(wǎng)中廣泛采用的是以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中90％以上的接人數(shù)量也都由以太網(wǎng)承載。以太網(wǎng)的突出優(yōu)勢是可以封裝任何協(xié)議數(shù)據(jù)、易于使用、成本低、靈活性好、兼容性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化成熟，對于用戶而言可以做到即插即用，網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)都非常簡單。然而，以太網(wǎng)本質(zhì)上是一種局域網(wǎng)技術(shù)，對可靠性要求不高的微型局域網(wǎng)是非常適用的，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時，以太網(wǎng)本身存在的一些局限性會給網(wǎng)絡(luò)帶來致命的故障，其中網(wǎng)絡(luò)環(huán)路就很容易導(dǎo)致以太網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

根據(jù)以太網(wǎng)的原理，當(dāng)以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點收到一個廣播幀或未知單播幀時，會向其他所有端口泛洪該幀。在局域網(wǎng)中，以太網(wǎng)的這種轉(zhuǎn)發(fā)方式非常簡單實用，交換機(jī)節(jié)點通過泛洪的方式，很容易將廣播幀或未知單播幀轉(zhuǎn)發(fā)給目的主機(jī)。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有環(huán)路存在時，廣播幀會在環(huán)路中的各個交換機(jī)節(jié)點上依次進(jìn)行泛洪和轉(zhuǎn)發(fā)，最終回到源交換機(jī)節(jié)點，而源交換機(jī)節(jié)點收到該廣播幀后，并不會丟棄，而是繼續(xù)按照廣播幀的轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行泛洪，因此廣播幀會永無休止地在環(huán)路的各個交換機(jī)節(jié)點上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終流量越來越大，耗盡帶寬。以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點還會將廣播幀向環(huán)路之外的端口泛洪，發(fā)送給局域網(wǎng)中的主機(jī)，隨著泛洪流量的增大，主機(jī)將難以承受收到的泛洪流量，從而導(dǎo)致整個局域網(wǎng)及其主機(jī)癱瘓，造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)故障，這種場景也稱為“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”。

在無環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，新連接的一條鏈路如果導(dǎo)致了環(huán)路，則稱這條鏈路為成環(huán)點。在局域網(wǎng)中，通常網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點數(shù)量較少，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，不易形成環(huán)路，即使新增加鏈路形成環(huán)路，也很容易定位出成環(huán)點，造成網(wǎng)絡(luò)故障范圍較小，維護(hù)難度不大。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)大時，特別是在城域網(wǎng)中，通常有數(shù)十臺以太網(wǎng)交換機(jī)，承載著成千上萬的用戶，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞浅?fù)雜，一旦新增加鏈路形成環(huán)路，則很難定位到成環(huán)點，而且故障的影響范圍都是非常大的。因此隨著以太網(wǎng)應(yīng)用范圍越來越大，各種以太網(wǎng)的環(huán)路探測技術(shù)應(yīng)運而生。

2 基于STP的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)

生成樹協(xié)議(STP)是在IEEE802.1D標(biāo)準(zhǔn)中定義的一種提供路徑冗余和環(huán)路切換的技術(shù)，其主要目的是在任何以太網(wǎng)拓?fù)渲小Ｗ詣影l(fā)現(xiàn)一個樹狀無環(huán)路的邏輯拓?fù)?。其主要原理是：在網(wǎng)絡(luò)的各個以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點上運行STP，首先所有節(jié)點的端口都為阻塞狀態(tài)，節(jié)點周期(默認(rèn)為2s)通過網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)幀和其他節(jié)點之間協(xié)商，再比較節(jié)點的優(yōu)先級從而選出根節(jié)點，其余的非根節(jié)點則根據(jù)路徑花費選擇一個通向根節(jié)點的最優(yōu)端口(又稱為“根端口”)；然后在每個網(wǎng)段選擇一個指派端口，將非指派端口設(shè)置為阻塞狀態(tài)，其他端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)；按照STP的算法，最終在以太網(wǎng)中建立一個樹狀的邏輯拓?fù)?。?dāng)以太網(wǎng)中有環(huán)路存在時，由于STP阻塞了其中的非指派端口，數(shù)據(jù)幀則不能從阻塞端口通過，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀傳輸路徑為樹狀拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)中任何兩個以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點之間只有唯一的數(shù)據(jù)幀傳輸路徑，因此不會形成所謂的“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”。

此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中鏈路發(fā)生故障時，STP還能檢測故障，并重新進(jìn)行運算，建立新的樹狀邏輯拓?fù)?，?jié)點之間的數(shù)據(jù)幀能夠通過新的路徑進(jìn)行傳輸，起到了鏈路保護(hù)的作用。

圖1為STP的環(huán)路檢測示意圖，在圖1(a)所示的存在環(huán)路的以太網(wǎng)中，通過STP的算法，阻塞冗余端口(如圖中節(jié)點3端口2)，最終將網(wǎng)絡(luò)收斂為樹狀無環(huán)路的邏輯拓?fù)?；?dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生鏈路故障時，如圖1(b)中節(jié)點3和4之間的鏈路發(fā)生故障，STP則會重新運算出新的樹狀邏輯拓?fù)洌蜷_原先阻塞的節(jié)點3端口2，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

但是STP的算法比較復(fù)雜，而且收斂時間非常長，并隨著網(wǎng)絡(luò)的增加收斂時間越來越大。例如對于以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點在5個左右的網(wǎng)絡(luò)，STP的收斂時間通常在30 s以上，雖然快速生成樹協(xié)議(RsTP)對STP進(jìn)行了優(yōu)化，但是收斂時間通常也要3s以上。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大、可靠性要求增加后，STP變得非常復(fù)雜，而且收斂時間也變得很長。此外，STP的阻塞端口的選擇是基于路徑花費值，而在無環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)新增加一條鏈路導(dǎo)致環(huán)路時，該新加鏈路的路徑花費值可以和其他鏈路相同，也可以和它們不同。從路徑花費上并不能識別出成環(huán)點的位置，因而STP選擇的阻塞端口并不一定是成環(huán)點，STP無法實現(xiàn)成環(huán)點的定位。因此STP主要適用于對可靠性要求不高、節(jié)點數(shù)量比較少的以太網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)。

3 基于ERPS的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)

以太網(wǎng)環(huán)路保護(hù)切換協(xié)議(ERPS)是在國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部(ITU-T)G.8032標(biāo)準(zhǔn)中定義的一種以太網(wǎng)環(huán)路保護(hù)切換技術(shù)。其主要目的是對環(huán)路的以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保護(hù)，主要原理是：在網(wǎng)絡(luò)正常時，阻塞一個端口防止環(huán)路，該端口稱為環(huán)保護(hù)鏈路(RPL)端口。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，打開RPL端口可以使得數(shù)據(jù)幀能夠通過，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)。ERPS最大的一個優(yōu)點是保護(hù)切換時間小于50ms，滿足電信級的高可靠性要求，而且與環(huán)路中節(jié)點數(shù)量無關(guān)。此外，由于ERPS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔旧砭褪黔h(huán)路，存在冗余鏈路，ERPS通過阻塞RPL端口的方式，不僅僅在邏輯上將環(huán)路解除，防止了數(shù)據(jù)幀形成“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”，而且還設(shè)置了備份鏈路。因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，ERPS可以啟用阻塞的RPL端口對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保護(hù)。圖2為ERPS在網(wǎng)絡(luò)鏈路正常狀態(tài)和發(fā)生故障時的環(huán)路保護(hù)切換示意圖。在圖2(a)中，節(jié)點1為RPL節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)正常時阻塞RPL端口2，防止網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路故障時，如圖2(b)所示，節(jié)點3和4之間出現(xiàn)鏈路故障，故障鏈路相鄰節(jié)點向環(huán)上發(fā)送故障協(xié)議幀，RPL節(jié)點收到故障協(xié)議幀后則會打開RPL端口，數(shù)據(jù)幀能夠通過RPL端口傳輸，網(wǎng)絡(luò)重新連通。

ERPS本質(zhì)上是一種環(huán)路保護(hù)切換技術(shù)，對于已知的以太網(wǎng)環(huán)路拓?fù)涫欠浅＿m用的，而且能夠運用環(huán)路中的冗余路徑進(jìn)行保護(hù)切換，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但是對于非環(huán)路拓?fù)?，只能針對特定的、可能的成環(huán)點進(jìn)行預(yù)先設(shè)置。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)沒有形成環(huán)路時，相當(dāng)于EPRS的鏈路處于故障狀態(tài)，ERPS的RPL端口為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀能夠通過RPL端口進(jìn)行正常傳輸；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)路時，相當(dāng)于ERPS的鏈路處于正常狀態(tài)，ERPS的RPL端口被阻塞，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀無法通過RPL端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此在邏輯上解除了環(huán)路。不會形成“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”。但是在成環(huán)點不能預(yù)先獲知的情況下，ERPS也無法進(jìn)行設(shè)置，難以進(jìn)行保護(hù)。因此ERPS主要適用于用環(huán)路進(jìn)行保護(hù)或者成環(huán)點能夠預(yù)先判斷的以太網(wǎng)絡(luò)。

4 基于環(huán)回檢測的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)

環(huán)回檢測也是一種應(yīng)用比較廣泛的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)，其主要目的是發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)中的環(huán)路，并對環(huán)路進(jìn)行隔離。它的主要原理是：在以太網(wǎng)節(jié)點周期的從端口發(fā)送一個帶有自身地址的檢測協(xié)議幀，節(jié)點在接收到檢測協(xié)議幀后，將協(xié)議幀中包含的地址和自身地址進(jìn)行比較，如果兩者相同，則說明該節(jié)點接收到了自身發(fā)出的檢測協(xié)議幀，接收端口外存在環(huán)路，需要將端口阻塞；如果節(jié)點在N(例如N為3.5)倍發(fā)送周期內(nèi)沒有收到帶有自身地址的檢測協(xié)議幀，則說明環(huán)路解除，并需要將阻塞端口打開，這個N倍發(fā)送周期稱為成環(huán)消失時間。圖3為環(huán)回檢測的環(huán)路檢測示意圖。在圖3(a)中，網(wǎng)絡(luò)中無環(huán)路，節(jié)點1收不到自身發(fā)出的檢測協(xié)議幀；在圖3(b)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路時，接點1收到自身發(fā)出的檢測協(xié)議幀，將端口2阻塞，防止了環(huán)路。環(huán)回檢測的機(jī)制比較簡單，可靠性也很高，而且發(fā)現(xiàn)環(huán)路的時間非常快，通常如果1s發(fā)送一個檢測協(xié)議幀，那么發(fā)現(xiàn)環(huán)路的時間則會在2s以內(nèi)，而且如果加快檢測協(xié)議幀的發(fā)送頻率，就能夠進(jìn)一步地減少發(fā)現(xiàn)環(huán)路的時間。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路時，環(huán)回檢測能夠很好地發(fā)現(xiàn)環(huán)路并通過阻塞端口的方式將環(huán)路解除，但是只能提供網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路的信息，而無法獲知具體的成環(huán)點位置。在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中，僅僅獲知網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路是不夠的，只有確切得到成環(huán)點的位置，才能對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，徹底解除網(wǎng)絡(luò)隱患。因此環(huán)回檢測主要適用于規(guī)模比較小、易維護(hù)性要求相對不高的以太網(wǎng)絡(luò)。

5 基于成環(huán)點定位的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)

成環(huán)點定位技術(shù)是由中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)最新定義的一種新型以太網(wǎng)環(huán)路檢測及定位技術(shù)，其主要目的是發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)中的環(huán)路，并能快速定位到成環(huán)點的具體位置。成環(huán)點定位技術(shù)在環(huán)回檢測的原理上進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展和創(chuàng)新，主要原理為：當(dāng)節(jié)點檢測到端口的狀態(tài)由不通轉(zhuǎn)變?yōu)橥〞r，會增大節(jié)點的成環(huán)消失時問，并且在成環(huán)消失時間到達(dá)后，進(jìn)行一個隨機(jī)的延時，最后再打開阻塞端口。如果網(wǎng)絡(luò)由于新增鏈路而導(dǎo)致環(huán)路出現(xiàn)，則新增鏈路兩端節(jié)點會檢測到端口的狀態(tài)由不通到通的轉(zhuǎn)變，因此將節(jié)點的成環(huán)消失時間增大；在出現(xiàn)環(huán)路后，各個節(jié)點都能檢測到環(huán)路已將端口阻塞，從而使得網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路解除；環(huán)路中多個端口被阻塞，各個節(jié)點都不能收到自身發(fā)出的環(huán)回檢測協(xié)議幀，接著成環(huán)消失時間小的節(jié)點先打開阻塞端口；由于成環(huán)點相鄰節(jié)點的成環(huán)消失時間最長，在其他節(jié)點都打開端口后，只有成環(huán)點相鄰節(jié)點仍然為阻塞狀態(tài)，并且能夠收到自身發(fā)出的環(huán)回檢測協(xié)議幀，因此仍然需要繼續(xù)保持端口為阻塞狀態(tài)，既解除了環(huán)路，又能定位到成環(huán)點位置。

在網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)新增加一條鏈路導(dǎo)致兩個節(jié)點連通時，這兩個節(jié)點通過連通性檢測技術(shù)(例如端口物理狀態(tài)、操作、管理、維護(hù)(0AM)檢測等)能夠發(fā)現(xiàn)端口的狀態(tài)由不通轉(zhuǎn)變?yōu)橥ā＿\用該特性，當(dāng)節(jié)點檢測到端口的狀態(tài)由不通轉(zhuǎn)變?yōu)橥〞r，則會增大節(jié)點成環(huán)消失時間，例如會將節(jié)點成環(huán)消失時間增大到6.5倍發(fā)送周期，而其他節(jié)點的成環(huán)消失時間仍然保持為3.5倍發(fā)送周期。如果該新增鏈路導(dǎo)致了環(huán)路，即這條鏈路為成環(huán)點，則根據(jù)環(huán)回檢測原理，環(huán)路上的各個節(jié)點都能檢測到環(huán)路，并將端口阻塞。如圖4(a)所示，節(jié)點3和4之間新增加了一條鏈路從而導(dǎo)致環(huán)路，在形成環(huán)路后各個節(jié)點都能收到一身發(fā)出的環(huán)回檢測協(xié)議幀，因此將端口阻塞。其中節(jié)點3和4的成環(huán)消失時間增大為6.5倍發(fā)送周期，其他節(jié)點仍然保持為3.5倍發(fā)送周期。由于各個節(jié)點阻塞了端口，因此環(huán)路得到了解除，在環(huán)路解除后，各個節(jié)點都不能收到自身發(fā)出的檢測協(xié)議幀。由于非成環(huán)點相鄰節(jié)點的成環(huán)消失時間較小，在成環(huán)消失時間到達(dá)后，會首先打開阻塞端口，只有成環(huán)點相鄰兩個節(jié)點會繼續(xù)保持阻塞端口。在成環(huán)點相鄰兩個節(jié)點的成環(huán)消失時間到達(dá)后。由于兩者都會隨機(jī)延時一段時間后再打開端口，因此其中一個會先打開端口，這樣另外一個節(jié)點會繼續(xù)收到自己發(fā)出的檢測協(xié)議幀，從而保持端口為阻塞狀態(tài)。如圖4(a)所示，在各個節(jié)點阻塞端口后，各個節(jié)點都不能收到自身發(fā)出的環(huán)回檢測協(xié)議幀，在成環(huán)消失時間到達(dá)后，會打開阻塞端口；節(jié)點1和2的成環(huán)消失時間較小，他們會首先打開端口，待節(jié)點3和4的成環(huán)消失時間到達(dá)后，兩個節(jié)點會在隨機(jī)延時后再打開端口，由于兩個節(jié)點的隨機(jī)延時時間不一樣，延時時間短的節(jié)點會先打開端口，延時時間長的節(jié)點會繼續(xù)保持端口阻塞。如圖49(b)所示，最終只有節(jié)點4阻塞了端口，由于其他節(jié)點都打開了端口，節(jié)點4能夠重新收到自身發(fā)出的環(huán)回檢測協(xié)議幀，因此繼續(xù)保持端口為阻塞狀態(tài)。根據(jù)環(huán)路中的阻塞端口，很容易定位出成環(huán)點的位置，非常便于維護(hù)。

成環(huán)點定位的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)，同時設(shè)置非常簡單，針對的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟卜浅ｌ`活，而且并不會隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量增加而提高復(fù)雜度，為以太網(wǎng)提供了一種簡單高效的環(huán)路避免和成環(huán)點定位方法，非常適合各種以太網(wǎng)局域網(wǎng)和城域網(wǎng)，是一種創(chuàng)新性的以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)。CCSA也正在對該技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，為該技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用奠定了標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

以太網(wǎng)在應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大的過程中遇到了網(wǎng)絡(luò)環(huán)路、易維護(hù)性等方面的局限性，STP、ERPS、環(huán)回檢測和成環(huán)點定位等技術(shù)針對以太網(wǎng)的各種應(yīng)用領(lǐng)域提供了環(huán)路檢測的解決方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)范圍、承載業(yè)務(wù)的可靠性、維護(hù)性要求等方面的不同可以選擇使用不同的技術(shù)。全球的標(biāo)準(zhǔn)組織也正在積極對以太網(wǎng)環(huán)路檢測技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷成熟，以太網(wǎng)的環(huán)路檢測技術(shù)將得到規(guī)模的應(yīng)用，并且可以徹底解除以太網(wǎng)的環(huán)路風(fēng)險。