交換機自學習演算法生成樹

『壹』 生成樹協議模式的區別

生成樹協議模式沒有區別，在工作時一種工作在OSI網路模型中的第二層(數據鏈路層)的通信協議，基本應用是防止交換機冗餘鏈路產生的環路.用於確保乙太網中無環路的邏輯拓撲結構.從而避免了廣播風暴,大量佔用交換機的資源。

生成樹協議工作原理:任意一交換機中如果到達根網橋有兩條或者兩條以上的鏈路.生成樹協議都根據演算法把其中一條切斷,僅保留一條.從而保證任意兩個交換機之間只有一條單一的活動鏈路.因為這種生成的這種拓撲結構.很像是以根交換機為樹乾的樹形結構.故為生成樹協議。

(1)交換機自學習演算法生成樹擴展閱讀：

1、生成樹協議提供一種控制環路的方法。採用這種方法，在連接發生問題的時候，你控制的乙太網能夠繞過出現故障的連接。

2、生成樹中的根橋是一個邏輯的中心，並且監視整個網路的通信。最好不要依靠設備的自動選擇去挑選哪一個網橋會成為根橋。

3、生成樹協議重新計算是繁冗的。恰當地設置主機連接埠(這樣就不會引起重新計算)，推薦使用快速生成樹協議。

4、生成樹協議可以有效的抑制廣播風暴。開啟生成樹協議後抑制廣播風暴，網路將會更加穩定，可靠性、安全性會大大增強。

STP的工作過程如下：首先進行根網橋的選舉，其依據是網橋優先順序（bridge priority）和MAC地址組合生成的橋ID，橋ID最小的網橋將成為網路中的根橋（bridge root）。

在此基礎上，計算每個節點到根橋的距離，並由這些路徑得到各冗餘鏈路的代價，選擇最小的成為通信路徑（相應的埠狀態變為forwarding），其就成為備份路徑(相應的埠狀態變為blocking)。

STP生成過程中的通信任務由BPDU完成，這種數據包又分為包含配置信息的配置BPDU（其大小不超過35B）和包含拓撲變化信息的通知BPDU（其長度不超過4B）。

『貳』 計算機網路-3-5-MAC層與交換機

在區域網中， 硬體地址 又稱為 物理地址 或者 MAC地址 （因為這種地址用在MAC幀中）

IEEE 802標准為區域網規定了一種48位(6位元組)的全球地址，固化在適配器的ROM中。

如果計算機中或者路由器有多個適配器，那麼這樣的主機或者路由器就有多個「地址」，更准確的說，這種48位「地址」應當是某個介面的標識符。

IEEE的注冊管理結構RA是區域網全球地址的法定管理機構，它負責分配地址欄位6個位元組中的前三個位元組。 世界上凡是要生產區域網適配器的廠家都必須向IEEE注冊管理結構購買由這三個位元組構成的號(地址塊) ，這個號的正式名稱為 組織唯一標識符OUI ，通常也叫公司標標識符。

乙太網適配器還可以設置為一種特殊的工作方式，即 混雜模式 ，工作在混雜模式的適配器只要「聽到」有幀在乙太網上就可以悄悄傳輸接收下來，而不管幀發送到哪裡。

常用的乙太網MAC幀格式有兩種，一種是DIX Ethernet V2標准(乙太網V2標准)，另一種是IEEE的802.3標准。這里介紹使用最多的乙太網V2的MAC幀格式(圖3-22)。圖中假定網路層使用的是IP協議。

乙太網V2的MAC幀比較簡單，由5個欄位組成。前兩個欄位分別為6位元組長的 目的地址 和 源地址 欄位。第三個欄位為2位元組的 類型欄位 ，用來標識上一層(例如網路層)使用的是什麼協議，以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議。例如，當協議欄位為0x0800代表上層網路層使用的是IP數據報；若類型為0x8137表示的是上層是從Novell IPX發過來的。第四個欄位是 數據欄位 ，其長度為46-1500位元組之間(最小長度64位元組減去首部和尾部以及類型的長度18)。第五個欄位為4位元組的 幀檢驗序列FCS(使用CRC校驗) 。

MAC層怎麼知道從從接收到的乙太網幀取出多少位元組交付給上一次層呢？這時候我們需要說一下曼徹斯特編碼，曼徹斯特編碼的重要一個特點是：在曼徹斯特編碼的每一個碼元的正中間一定有一次電壓轉換(由高到低或者由低到高)。當發送方把一個乙太網幀發送完畢後，就不再發送其它碼元了(既不發送0，也不發送1)。因此，發送方的網路適配器上的介面上的電壓就不會發生變化了。這樣，接收方就可以很容易找到乙太網幀的結束位置。在這個位置上往前移4位元組(FCS校驗4位元組)，就能確定數據欄位的結束位置。

當數據欄位的長度小於46位元組時候，MAC子層就會在數據欄位加入一個整數欄位進行填充，以保證乙太網的幀不小於64位元組。

從圖3-22還可以看出，在傳輸媒體上實際傳送的要比MAC幀還多8個位元組，這是因為當一個站在剛開始接收MAC幀時，由於適配器的時鍾尚未與到達的比特流達成同步，因此MAC幀的最前面的若干位就無法接收，結果使得整個MAC幀成為無用的幀。為了接收端迅速的實現位同步，從MAC層向下物理層還要幀的前面插入8位元組(由硬體生成)，它由兩個欄位構成。第一個欄位時7位元組的 前同步碼(1和0交替碼) ，它的作用是使接收端的適配器在接收MAC幀的時候能夠迅速調整其時鍾頻率，使它和發送端的時鍾同步，也就是 實現位同步 ，第二個欄位是 幀開始定界符 ，定義為10101011,它的前6位作用和前同步碼一樣，最後兩個連續的1就是告訴接收端適配器：「MAC幀信息就要來了，請適配器注意接收」。

在乙太網上傳送數據時是以 幀 位單位傳送的。乙太網在傳送幀時，各幀之間還必須有一定的間隙。因此，接收端只要找到幀開始定界符，其後面的連續到達的比特流就屬於同一個MAC幀。可見乙太網不需要使用幀結束定界符。

擴展的乙太網再網路層看起來仍然是一個網路

乙太網上的主機之間的距離不能太遠，否則主機發送的信號經過銅線傳輸就會衰減到CSMA/CD協議無法正常工作。

現在，擴展主機和集線器之間的距離的一種辦法就是使用光纖和一堆光纖數據機。如圖3-23：所示：

光纖數據機的作用是進行電信號與光信號的轉換。由於光纖帶來的時延很小，並且帶寬很寬，因此使用這種方法可以很容易的使主機從幾千公里以外的集線器相連。

擴展乙太網更常用的方法是在數據鏈路層上進行。最初人們使用的是 網橋 ，網橋對接收到的幀根據其目的MCA地址進行 轉發 和 過濾 。

在1990年出現了 乙太網交換機
乙太網交換機實質上就是一個 多介面的網橋 ，乙太網交換機的每個介面都直接與一台計算機或者另一台乙太網交換機相連。並且一般都是工作在 全雙工方式 ，乙太網交換機還具有 並行性 ，即能同時聯通多對介面，使多對主機能同時通信(而網橋只能一次分析和轉發一個幀)，相互通信的主機都是 獨占傳輸媒體，無碰撞的傳輸數據 。

乙太網的介面還有存儲器，能在輸出埠繁忙時把到來的幀進行緩存。因此，如果乙太網交換機上的兩台主機，同時向另一台主機發送幀，那麼當這台主機上的介面繁忙時，發送幀的這兩台主機的介面會把收到的幀暫存一下，以後再發送出去。

乙太網交換機是一種即插即用的設備，其內部的幀交換表(又稱地址表)是通過 自學習 演算法自動逐漸建立起來的。乙太網交換機由於使用了專門的交換結構晶元，用硬體轉發，其轉發速率往往比要使用軟體轉發快得多。

使用一個簡單的例子說明交換機是怎樣進行學習的。
假定在圖3-25中乙太網有4個介面，各連接一台計算機，其MAC地址分別為A,B,C,D。一開始交換機裡面的交換表使空的。(圖3-25(a))

A向B發送一幀，從埠1進入到交換機，交換機在接收到幀後，先查找交換表，沒有查到應從哪個介面轉發這個幀(在MAC地址這列中，找不到目的地址為B的主機)。接著，交換機把這個幀的源地址A和介面2寫入到交換表中，並向除介面1以外的所有介面廣播這個幀。

C,D丟棄掉這個幀，因為目的地址不對，只有B收下這個幀，這也稱之為 過濾 。

從新寫入交換表的項目(A,1)可以看出，以後不管從哪一個介面收到幀，只要其目的地址是A，就應當把收到的幀從介面1轉發出去。這樣做的依據是： 既然A發出的幀是從介面1進入到交換機的，那麼從交換機的介面1轉發出去的幀也應當可以到達A 。經過一段時間後，交換表中的項目就齊全了。

有時候交換機上的介面更換主機，或者主機更換了網路適配器，這就需要更改交換表中的項目。為此，在交換表中每個項目都設有一定的有效時間，過期的項目就會被自動刪除，用這樣的方法保證交換表中的數據都符合當前網路的實際情況。

乙太網交換機的這種自學方法不需要人工進行配置，非常的方便。

但有時候為了增加網路的可靠性，在使用乙太網交換機組件網路的時候，往往會增加一些冗餘的鏈路。在這種情況下，自學習的過程就可能導致乙太網幀在網路的某一個環路中無限制的兜圈子，白白消耗了網路資源，如圖3-26：

為了解決兜圈子問題，IEEE的802.1D標准制定了一個 生成樹協議STP ，其要點的協議是不改變網路的實際拓撲，但在邏輯上切斷某些鏈路。使得從一台主機到其他主機的路徑是無環路的樹狀結構，從而避免廣播風暴大量佔用交換機的資源。

生成樹STP協議原理：任意一交換機中如果到達根網橋有兩條或者兩條以上的鏈路，生成樹協議都根據演算法把其中一條切斷，僅保留一條，從而保證任意兩個交換機之間只有一條單一的活動鏈路。因為這種生成的拓撲結構，很像是以根交換機為樹乾的樹形結構，故為生成樹協議。

匯流排乙太網使用了CSMA/CD協議，以半雙工進行通信，但是乙太網交換機採用的是全雙工通信，並不是使用CSMA/CD協議，為什麼還叫乙太網？原因是它的 幀結構未發生變化，仍然採用乙太網的幀結構 。

利用乙太網交換機可以很方便的實現 虛擬區域網(VLAN) ，在IEEE802.1Q標准中，對虛擬區域網是這樣定義的：虛擬區域網是由一些區域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組，而這些網路具有某些共同的需求，每一個VLAN幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的計算機屬於哪一個VLAN。

『叄』 交換機生成樹的工作原理

生成樹的工作原理：
生成樹協議的國際標準是IEEE802.1b。運行生成樹演算法的網橋/交換機在規定的間隔（CISCO 默認2秒）內通過網橋協議數據單元（BPDU）的組播幀與其他交換機交換配置信息 ，其工作的過程如下：
·通過比較網橋優先順序選取根網橋（給定廣播域內只有一個根網橋）。
·其餘的非根網橋只有一個通向根交換機的埠稱為根埠。
·每個網段只有一個轉發埠。
·根交換機所有的連接埠均為轉發埠。
注意：生成樹協議在交換機上一般是默認開啟的，不經人工干預即可正常工作。但這種自動生成的方案可能導致數據傳輸的路徑並非最優化。因此，可以通過人工設 置網橋優先順序的方法影響生成樹的生成結果。