基于網絡仿真軟件分析負載均衡協(xié)議

引 言

在網絡工程實施時，時常會在特定場合或設備上配置STP 或PVST 協(xié)議，以解決網絡中可能出現(xiàn)的物理環(huán)路問題。通過這兩個協(xié)議，可以消除網絡上產生環(huán)路的影響，若靈活采用PVST 協(xié)議，還可以優(yōu)化網絡運行效果。

1 STP協(xié)議和 PVST協(xié)議特點

在網絡的實施部署過程中，為了提高網絡可靠性，并盡量避免單點故障，時常會采用物理環(huán)線的方式來保障網絡完全， 不論任何一條物理鏈路中斷，都會有另外一條鏈路接替，從而確保網絡可正常使用，可靠運行。但在交換式以太網中，一旦交換機接收一個未知目的地的數(shù)據(jù)幀時，交換機將采用轉發(fā)方式廣播該幀，在物理環(huán)路網絡中將造成廣播風暴或交換機 MAC 地址表不穩(wěn)定的后果，甚至導致交換機或網絡癱瘓。

1.1 STP

在網絡中最早引入了生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol， STP）來解決網絡環(huán)路問題。該協(xié)議采用對應算法，實現(xiàn)了邏輯上的自適應斷環(huán)，以防止廣播風暴等問題產生。該協(xié)議一般在交換機上已默認開啟。

由于在 STP 協(xié)議的工作原理中，關于根交換機的推舉基于交換機的ID 進行判斷，而 ID 由優(yōu)先級和MAC 地址組成，默認優(yōu)先級是 32768，因而如果在優(yōu)先級不改變的情況下，根交換機的推選就依賴于網絡設備自身的MAC，但MAC 地址一般已燒錄在設備中，具有不確定性，難以修改。

由于STP 中交換機選擇根網橋時，不會修改交換機 ID 中的優(yōu)先級字段，使用默認值，因此根交換機的選擇依據(jù)就是其MAC 地址，而 MAC 地址是一個隨機數(shù)，有可能導致性能較差或邊緣化的交換機被選中為根交換機等狀況出現(xiàn)，影響整個網絡的性能。且后期可能會導致當前的根交換機失效，面臨不斷重新選取根交換機的局面，導致網絡的使用效果不佳。

1.2 PVST

PVST（Per-VLAN Spanning Tree，PVST）可以根據(jù)網絡中不同的VLAN 來運行獨立的生成樹實例，并根據(jù)參數(shù)自定義或優(yōu)化根交換機的選舉，同時為每個VLAN 的數(shù)據(jù)流選擇更優(yōu)的路徑，實現(xiàn)網絡整體的負載均衡效果。

2 利用網絡仿真軟件實現(xiàn)協(xié)議分析

2.1 構建網絡拓撲

針對 STP、PVST 兩個協(xié)議的使用場景， 使用 Packet Tracer 仿真設計圖 1 所示的拓撲結構。使用 2 臺 2960 作為接入層設備S1、S2，1 臺 2950T 作為匯聚層設備S3，針對 3 臺交換機分別新建一個VLAN 2。將 3 臺交換機之間的鏈路均設置為 trunk 模式。

圖1 網絡仿真拓撲圖

2.2 STP場景分析

由于在 Packet Tracer 中使用的 3 臺交換機都已默認開啟了STP 協(xié)議，在 3 臺交換機的特權模式下可用命令 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S1為例，在VLAN1和VLAN2中RootID的Address均為 0060.479C.3676，即交換機S2被推舉為根交換機。原因在于此時交換機的默認優(yōu)先級都是 32768，而S2的MAC較小，因此成為該網絡中的根交換機。選擇情況如圖 2 所示。

圖2 STP 下S1 中VLAN 1 和VLAN 2 針對根交換機的選擇情況

S1 有兩個接口可以到達 S2，即 F0/15（到達 S2 的Cost 為19 ＋ 19 ＝38） 和 F0/13（ 到達 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 S3 中涉及VLAN 1 和VLAN 2 的端口狀態(tài)

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

由上可知，在 STP 協(xié)議下，根交換機的選擇主要取決于其MAC 地址，具有一定的隨機性，無法較好地保證網絡運行的最優(yōu)性，同時也增加了局部設備端口的負載壓力。

2.3 PVST場景分析

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

S1（config）#spanning-tree vlan 1 priority4096

S2（config）#spanning-tree vlan 2 priority4096

經上述配置后，根交換機情況如圖4 所示。在交換機 S1 中， VLAN 1 的根交換機指向S1 本身，而 VLAN 2 的根交換機指向交換機S2。同時也可驗證，在交換機S2 中VLAN 1 的根交換機指向S1 本身，而 VLAN 2 的根交換機指向交換機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)流經過接入層設備S1 后，從匯聚層設備 S3 的F0/1 端口轉發(fā)至S3 的F0/4 接口中同在VLAN 1 的PC3 主機。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)流經過接入層設備S2 后，從匯聚層設備 S3 的F0/2 端口轉發(fā)至S3 的F0/3 接口中同在VLAN 2 的PC0 主機。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 的根交換機情況

圖 5 PVST 下S3 各端口狀態(tài)

由測試結果可知，在PVST 協(xié)議配置模式的作用下，實現(xiàn)了VLAN 1 和VLAN 2 數(shù)據(jù)流按照網絡管理人員的規(guī)劃進行分流的目的，同時不同的VLAN 選擇根交換機的模式更為靈活， 進一步保障了網絡的可用性，并實現(xiàn)了網絡的負載均衡效果。

3 結 語

結合上述分析和仿真結果，一方面對 STP 和PVST 協(xié)議的實現(xiàn)進行了研究和說明，另一方面對于二者之間的區(qū)別和聯(lián)系作了分析。從而證明，PVST 協(xié)議在根交換機的選擇以及負載均衡的網絡可靠性保障上更有優(yōu)勢。