進階網路技術 Broadband Network Technologies

1. 進階網路技術Broadband Network Technologies 指導教授：王井煦老師 學 生： 第四組 935606   吳朝元 935623   林運來 935626   林振全 935629   羅濟本 935632   鄭恒昌 935633   鍾嘉宏 935649   蕭遠訓 試說明何謂網路廣播風暴？請說明成 因！並說明比較spamning tree及802.1w Rapid spamning tree 運作機制

2. 廣播風暴

3. 何謂廣播風暴（Broadcast）？ • 若是沒有Spanning Tree迴圈保護機制 當Host 送出一個Broadcast Frame (例如ARP Request)至 Router時， Frame將會被Switch A收到。Switch A 辨認Frame 中的Destination MAC Address 欄位(Broadcast:FF:FF:FF:FF:FF:FF)，然後決定將Frame Flood至Segment B。當Broadcast Frame 抵達Switch B 後，Switch B將會依上述步驟，Flood該Frame至Segment A。此Broadcast Frame 將會永遠無境地在這個網路迴圈中傳送，即使Router 已經收到此Frame。 每個Bridge或Switch將會永無止境地Flood廣播封包至所有的Port上，這種現像稱為廣播風暴。

4. Spanning Tree迴圈保護機制 • Spanning Tree Protocol的運作方式，提供了一個無迴圈的網路，當一台支援STP的Switch在網路拓撲中發現有迴圈的狀況，它會擋住(Block)一個或多個剩餘的Port，Spanning Tree持續不斷地探索此網路，當發現網路拓撲有改變時，STP會自動利用擋住某些Port的特性能避免錯誤的情況發生。 • 執行Spanning Tree演算法的Bridge或Switch會定期交換組態訊息，此組態訊息是一種稱為BPDU (Bridge Protocol Data Unit)或Hello Message的MulticastFrame。根據BPDU的內容，這些STP裝置將可以以樹狀結構的方式來建構一個無迴圈的網路。

5. 無迴圈的網路--STP 的運作方式 • 選出一個Root Bridge 在一個網路中只能有一台Bridge 或Switch 能被選為Root Bridge，此RootBridge決策此網路中所有的事情，例如哪一個Port被Block及哪一個Port進入Forwarding模式，Root Bridge是樹狀網路中的根(Root)。 在BPDU有一個很重要的欄位稱為Bridge ID，每台 Bridge 均有獨一無二的Bridge ID，Root Bridge為在Spanning Tree網路中擁有最低Bridge ID的Bridge或Switch。 Bridge ID包含Bridge Priority (2 Bytes)與Bridge MAC Address (6 Bytes)兩部份，預設的802.1D Bridge Priority值為32768。舉例來說，一台Switch的Bridge Priority為32768 (十六進位為8000)，而MAC Address為0:A0:C5:12:34:56，則其Bridge ID為8000:00A0:C512:3456。 Root Bridge 的所有Port 均為Designated Port，Designated Port 永遠都是在Forwarding的狀態，當在Forwarding狀態時，一個Port就能接受及傳送資料。

6. Non-Root Bridge選出一個Root Port 對於不是Root 的Bridge或Switch來說，它只會有一個Root Port的存在，Root Port的用途是讓Non-Root Bridge來與Root Bridge溝通，Root Port在樹狀結構中是於屬葉子(Leaf)的角色。 Root Port是Non-Root Bridge連至Root Bridge所有Port當中擁有最低PathCost 的Port，Root Port通常都是在Forwarding 狀態。 Path Cost也就是某個Port在一個區域網路上傳輸一個Frame至Root Bridge的所有Cost 總和。Path Cost 是根據連線的頻寬來指定，愈慢的傳輸媒介其Cost 也就愈高，IEEE 802.1D 中定義的Path Cost 如表一所示。 當有多個Port 都有相同的Path Cost 連線至Root Bridge，則有最低的PortPriority的Port將會選為Root Port。

7. 為每一個網路區段選出一個Designated Port 每個區域網路區段(Collision Domain)都有一個Designated Port，DesignatedPort有最低的Cost連線至Root Bridge，Designated Port 通常是在Forwarding的狀態，而且從該Segment轉送及接收資料。若是在一個Segment中有超過一個以上的Port 有相同的Path Cost，則有最低Bridge ID 的那個Port 將會被選為Designate Port。

8. Spanning Tree Protocol的運作 在STP決定了最低Cost的Spanning Tree 後，它將會Enable所有的Root Port及Designated Port，而其他的Port將會被設為Disable，網路封包只會在Root Port及Designated Port 之間傳送，因而排除了任何可能的網路迴圈發生。有STP 功能的裝置彼此會定期交換BPDU，當網路拓撲發生任何變化時，一個新的Spanning Tree就會被建構出來。 一旦一個穩定的網路拓撲建立後，所有的Bridge都會收聽從Root Bridge所傳送過來的Hello BPDU，若是有一個Bridge在一個事先定義的時間內(Max Age)沒有收到Hello BPDU，此Bridge就會假設通到Root Bridge的連線斷了，然後此Bridge 會和其他的Bridge 溝通來重新組態網路，重新建立起一個有效的網路拓撲。

9. IEEE 802.1w RSTP協議 運作 • 當IEEE認識到802.1d生成樹協議的自恢復特性已不能滿足現代交換式網路和應用的需要時，推出了一種新的協定，即RSTP協定來解決802.1d的自恢復問題。IEEE 802.1w RSTP合併了Cisco為802.1d增加的許多擴展協議，如Portfast、Uplinkfast和Backbonefast等。IEEE 802.1w協議能夠提供交換機（網橋）故障、交換機埠（網橋埠）或整個LAN快速恢復的特性，這是因為它依賴於一種有效的橋－橋握手機制，而不是802.1d中根橋所指定的計時器。RSTP改變了802.1d的這種方式，其拓撲結構利用生成樹“呼喚”作為保持本地連接的方式，這就使802.1d的Forward_Delay和Max_Age計時器變得多餘，因而現在它主要用於協議標準操作的備份。RSTP還引進了新的BPDU處理以及一種新的拓撲結構改變機制。即使沒有從根橋處接收到任何信號，每個網橋在每次“呼喚時間”中都生成BPDU。BPDU扮演了在網橋間進行消息通知的角色。如果一個網橋不能從臨近網橋處收到BPDU，它就會認為與這個網橋失去了連接，因而會考慮進行快速故障檢測和自恢復。

10. 在RSTP中，僅當非邊緣埠轉為轉發狀態時，拓撲結構才會發生改變，而802.1d中的連接丟失（例如埠阻塞）則不會引起拓撲結構的變化。802.1w中的拓撲結構變化通知（Topology Change Notification，TCN）與802.1d中的不同，它可以大大減少資料崩潰。在802.1d中，TCN先單獨傳送給根橋，然後再多點傳送到其他網橋。接收802.1d TCN將使網橋快速老化轉發表格中的所有條目，而不考慮網橋轉發拓撲結構是否受到了影響。RSTP則恰恰相反，它明確通知網橋保留通過接收TCN埠所學習的條目，因而使這項操作得到了最優化。TCN特性的這種改變，大大減少了在拓撲結構變化中丟失的MAC位址。　　如前所述，RSTP的目標是盡可能地將根埠和指定埠轉變為轉發狀態，而阻塞替代埠和備份埠。為了阻止轉發環路，RSTP利用網橋之間的握手來確保通過網路分配的埠任務能夠保持一致。由於這種握手不依賴於計時器，因此可以迅速地傳送到網路邊緣，並且隨著拓撲結構的改變而迅速恢復連接。如果一個協議（Agreement）不回應提議（Proposal）資訊，埠就還原到802.1d模式，並通過以前的監聽－學習順序轉換到轉發狀態。必須強調的是，802.1w僅工作在點到點的連接中，如果是共用媒體，802.1w協議將還原到802.1d模式。