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        基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件分析負(fù)載均衡協(xié)議

        2018-01-25 10:52:38耿強(qiáng)黃雪琴姜文波陳顯軍紀(jì)洲鵬
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:負(fù)載均衡

        耿強(qiáng) 黃雪琴 姜文波 陳顯軍 紀(jì)洲鵬

        摘 要:針對(duì)STP和PVST協(xié)議的特點(diǎn),利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行仿真,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析和比較,掌握兩種協(xié)議的工作原理及特點(diǎn)。特別是通過(guò)仿真環(huán)境的實(shí)現(xiàn),體現(xiàn)出PVST協(xié)議具備負(fù)載均衡的優(yōu)勢(shì)。

        關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)仿真;Packet Tracer;負(fù)載均衡;協(xié)議分析

        中圖分類號(hào):TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2018)01-00-02

        0 引 言

        在網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)施時(shí),時(shí)常會(huì)在特定場(chǎng)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(wèn)題。通過(guò)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(guò)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(lái)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(shù)協(xié)議(Spanning Tree Protocol,STP)來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問(wèn)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(wèn)題產(chǎn)生。該協(xié)議一般在交換機(jī)上已默認(rèn)開(kāi)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(lái)運(yùn)行獨(dú)立的生成樹(shù)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)?/p>

        針對(duì)STP、PVST兩個(gè)協(xié)議的使用場(chǎng)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。

        2.2 STP場(chǎng)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(kāi)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(kāi)啟的生成樹(shù)協(xié)議。

        以交換機(jī)S1為例,在VLAN 1和VLAN2中Root ID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。

        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。

        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(cè)試時(shí),可利用Packet Tracer“模擬狀態(tài)”下的數(shù)據(jù)流進(jìn)行測(cè)試。由于S3的F0/1處于Block阻塞狀態(tài),因而所有經(jīng)過(guò)S3的VLAN數(shù)據(jù)流都只能通過(guò)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(wú)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(chǎng)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 priority 4096

        S2(config)#spanning-tree vlan 2 priority 4096

        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(guò)上述描述,可在仿真軟件的“模擬”模式下發(fā)包測(cè)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(guò)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(jiàn)數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)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。

        由測(cè)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(yǔ)

        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(shuō)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(shì)。

        參考文獻(xiàn)

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