防止快速状态转换时产生临时环路的方法
阅读：833发布：2023-02-26
专利汇可以提供防止快速状态转换时产生临时环路的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种在快速生成树协议下快速状态转换时，防止产生临时环路的方法。当端口 角 色发生变化的时候，复位所有协商标记，即复位提议、被提议、同步、已同步和同意标记。当端口状态发生变化的时候，根端口的已同意标记复位以保持语义，同时提议和同意两个标记也要进行相应的处理以保持正常的语义。本发明针对快速生成树协议的快速状态转换时存在的 缺陷 进行 修改 ，在不改变快速切换机制的情况下，很好的避免了端口快速转换过程中可以导致的临时环路问题，保证了局域网正常的通信。，下面是防止快速状态转换时产生临时环路的方法专利的具体信息内容。
1.一种在快速生成树协议下，防止快速状态转换时产生临时环 路的方法，其特征在于：
网络拓扑发生变化的时候，确保协商标记符合语义；
当端口角色发生变化的时候，复位所有协商标记；
当端口状态发生变化的时候，复位端口协商同意标记，同时查找 根端口，复位根端口的已同步标记。
2.根据权利要求1所述的利用防止快速状态转换时产生临时环 路的方法，其特征在于：当端口角色发生变化的时候，复位提议、被 提议、同步、已同步和同意这5个协议标记。
3.根据权利要求1所述的利用防止快速状态转换时产生临时环 路的方法，其特征在于：当端口状态发生变化的时候，复位提议、同 意、已同步，同时复位根端口的已同步标记以保持正常的语义。
4.根据权利要求1所述的利用防止快速状态转换时产生临时环 路的方法，其特征在于：环路是由于网络拓扑发生变化而引起的。
5.根据权利要求4所述的利用防止快速状态转换时产生临时环 路的方法，其特征在于：环路是由于修改根桥的优先级为所有桥中最 低而引起的。
6.根据权利要求4所述的利用防止快速状态转换时产生临时环 路的方法，其特征在于：环路是由于根桥断电而引起的。
技术领域
本发明涉及计算机网络通信领域，尤其涉及一种在快速生成树协 议，防止快速状态转换时产生临时环路的方法。
背景技术
局域网内的交换机使用生成树协议(STP)，形成一个树状的拓扑 结构。该拓扑保证局域网内任意两台交换机之间相互通信，同时消除 环路，避免广播风暴。IEEE 802.1W定义的快速生成树协议(RSTP) 作为一类生成树协议(STP)，引入了端口状态快速转换的机制，保 证骨干线路的快速转发，将网络通信中断的时间从传统的802.1D协议 的几十秒，降低到了几秒(一般是2秒)。
端口在网络拓扑中的作用是通过端口角色来区分的，有四种角 色，分别为：根端口，即通向根桥(生成数的树根)的最优的端口； 指定端口，即通向下游网段最优的端口；可选端口，即通向根桥的可 选的端口；和备份端口，即通向下游网段可选的端口。
当前大多数交换机厂商都支持的RSTP协议，提高局域网拓扑收 敛的速度。申请号为02145123.0的中国发明专利申请，公开了一种计 算机网络系统中网桥之间的数据传输方法，其中网桥端口可通过连接 链路相连，多条连接链路被划分为若干连接链路组，与连接链路对应 的网桥端口的状态可根据生成树算法确定为转发状态或阻塞状态，以 此避免网络系统环路，同时达到冗余备份功能。但是由于RSTP协议 在设计上存在的问题，在网络拓扑变化的时候就可能导致临时环路， 形成广播风暴。目前大多数实现都是硬件转发，一旦风暴形成，风暴 无法自动停止，而必须由网络管理员手动断开网络中的环路，从而使 网络无法正常工作，造成网络瘫痪。
端口在网络拓扑中的作用是通过端口角色来区分的，有四种角 色，分别为：根端口，即通向根桥(生成数的树根)的最优的端口； 指定端口，即通向下游网段最优的端口；可选端口，即通向根桥的可 选的端口；和备份端口，即通向下游网段可选的端口。
当前大多数交换机厂商都支持的RSTP协议，提高局域网拓扑收 敛的速度。申请号为02145123.0的中国发明专利申请，公开了一种计 算机网络系统中网桥之间的数据传输方法，其中网桥端口可通过连接 链路相连，多条连接链路被划分为若干连接链路组，与连接链路对应 的网桥端口的状态可根据生成树算法确定为转发状态或阻塞状态，以 此避免网络系统环路，同时达到冗余备份功能。但是由于RSTP协议 在设计上存在的问题，在网络拓扑变化的时候就可能导致临时环路， 形成广播风暴。目前大多数实现都是硬件转发，一旦风暴形成，风暴 无法自动停止，而必须由网络管理员手动断开网络中的环路，从而使 网络无法正常工作，造成网络瘫痪。
发明内容
本发明的目的就是解决快速转换引起的临时环路问题，提供一种 在快速生成树协议下快速状态转换时，防止产生临时环路的方法。
RSTP快速转换的基本原理就是在点对点(全双工)的链路上， 如果指定端口和与之相连的桥就网络拓扑达成一致，也就是相连桥除 了根端口外，所有其他端口都处于阻塞状态(discarding)，指定端口 就可以快速转换为转发状态(forwarding)。这一过程通过提议 (proposing)、被提议(proposed)、同步(sync)、已同步(synced) 和同意(agreed)这5个协议标记进行协商。
快速状态转换基本原理中synced标记为真的条件为：
(1)对于非根端口(指定端口、可选端口、备份端口)，端口状态必 须处于阻塞状态；
(2)对于根端口，必须其他端口的synced标记全部为真，即其他端 口都处于转发状态。
在实施RSTP协议的时候，常用冗余备份的组网环境下，改变网 络拓扑就可能造成网络临时环路。实际组网环境中常使用的冗余备份 拓扑，其中生成树的根桥优先级最高，其他桥采用默认配置，所有端 口都是点对点链路，当修改根桥的优先级为所有桥中最低或者根桥断 电的时候，就可以导致网络发生临时环路，发生广播风暴。
上述产生广播风暴的原因是，当网络拓扑环境发生变化的时候， 协商标记的语义可能不存在了，如果协商标记的语义不符合要求，就 可能会发生不正确的快速协商，造成指定端口在网络拓扑没有达成一 致的情况下，快速进入转发状态，导致网络临时环路。
因此在快速生成树协议下快速状态转换时，防止临时环路产生的 解决方案就是，网络拓扑发生变化的时候需要确保协商标记符合语 义。当端口角色发生变化的时候，协商标记的语义可能发生变化。此 时需要根据情况恢复协议标记，简单的解决方法就是在端口角色发生 变化的时候，复位所有协商标记，即复位proposing、proposed、sync、 synced和agreed标记。当端口状态发生变化的时候，协商标记语义可 能发生变化。最直接的就是synced标记的语义，由于根端口的synced 标记管理所有其他端口的synced标记，表示所有其他端口都处于阻塞 状态，当存在其他端口不处于阻塞状态的时候，根端口的synced标记 应该复位以保持语义，同时proposing、agreed也要进行相应的处理以 保持正常的语义。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1是快速协商流程图；
图2常用网络拓扑图示意图；
图3不正确的协商过程示意图；
图4快速协商流程在状态机中的变迁流程图。
最佳实施例详细描述
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
图1显示了桥B1和桥B2进行快速协商的流程。其中桥B1的B1p0 端口是指定端口；桥B2的B2p0端口是根端口，B1p1、B2p2端口为上 文提到的其他端口。当协商完成以后，桥B1的B1p0端口就可以直接 进入转发状态了，而不需要延迟一段时间才能进入转发状态。
RSTP快速转换的基本原理就是在点对点(全双工)的链路上， 如果指定端口和与之相连的桥就网络拓扑达成一致，也就是相连桥除 了根端口外，所有其他端口都处于阻塞状态，指定端口就可以快速转 换为转发状态。具体通过以下5个协议标记进行协商，具体协商步骤 如下：
(1)proposing如图中1s所示，期望快速转发的指定端口发起提议， 并把该标记2s(proposal)设置在报文中发送给相连的根端口。
(2)proposed如图1中的3s所示，根端口从点对点的链路上接收到 指定端口的请求，设置为proposed标记。
(3)sync如图1中的5s所示，当proposed标记设置后，根端口设置所 有其他端口的sync标记，希望它们进行同步4s，进入discarding 状态7s。
(4)synced如图1中的6s所示：
i)其他端口收到sync请求进行响应，转发的端口转换为阻塞 状态，设置synced标记；本来处于非转发状态的端口直接 设置synced标记。
ii)根端口管理所有其他端口的synced标记。如果所有其他端 口都设置了synced标记，那么根端口也设置synced标记，认 为其他端口都进入了阻塞状态8s。
iii)根端口设置了synced标记，就发送协商同意(agreement) 的报文，同意指定端口快速转发9s。
(5)agreed如图1中的11s所示，指定端口收到根端口的协商同意标 记10s，设置agreed标记，就可以直接进入转发状态，无需延 迟。
端口快速协商不一定需要所有其他端口都进入阻塞状态。对于某 些具有特殊性质的端口，如不与任何交换机相连的边界(edge)端口， 可以处于转发状态。文中说需要进入阻塞状态，主要是针对大多数情 况而言，避免总提及特殊情况的处理。
图2是实际组网环境中常使用的冗余备份拓扑。其中桥B3优先级 最高，是生成树的根桥(生成树的树根)，其他桥采用默认配置，所 有端口都是点对点链路。执行如下两种操作之一就可以导致网络发生 临时环路，发生广播风暴：
(1)修改桥B3的优先级为所有桥中最低；
(2)桥B3断电。
广播风暴发生的原因是，当网络拓扑发生变化后(如桥B3断电)， 指定端口和与之相连的端口发生了不正确的协商。图3为不正确的协 商过程示意图，不正确的协商过程如下：
(1)桥B2上的指定端口B2p1发送proposing请求；
(2)桥B4根端口收到proposing，设置proposed标记；
(3)桥B4根端口的synced标记为真，直接回应了agreement标记；
(4)桥B2收到agreement报文，设置agreed标记，直接进入转发状 态。
问题的原因就是桥4根端口直接回应了agreement标记，但是此时 网络拓扑并没有形成一致。通过分析桥B4上协商标记的值，特别是 synced标记的值，发现设置synced的时候，不满足快速状态转换基本 原理中synced标记为真的条件：
(1)桥B4上的指定端口B4p2设置了synced标记，但是处于转发状 态；
(2)桥B4上的根端口B4p1设置了synced标记，但是存在其他端口 为转发状态。
RSTP通过一系列状态机来控制协议状态变迁。涉及到协商标记 的状态机主要有四个，下面简单介绍一下这些状态机的功能：
(1)端口信息状态机
处理报文信息、时间信息；
(2)角色转换状态机
负责端口角色(指定端口、根端口、可选端口、备份端口等)
发生变化时的处理；
(3)状态转换状态机
端口状态变化的处理，即端口转发、阻塞的处理；
(4)发送状态机
发送STP报文的状态机；
图4所示为快速协商流程在状态机中的变迁过程：从图4中可以清 楚的看出各协商标记具有明确的语义，特别是synced标记的语义最为 重要，这里详细论述一下各协商标记：
(1)proposing.代表指定端口进行协商请求。当端口角色发生变化， 或者端口已经处于转发状态，proposing应该恢复；
(2)proposed.根端口收到协商请求。当端口角色发生变化， proposed应该恢复；
(3)sync.根端口同步其他端口。角色发生变化后改语义发生变；
(4)synced.
i)非根端口处于阻塞状态设置改标记。当端口角色发生变化、 或者端口进入转发状态，该synced标记应该复位；
ii)根端口的synced表项表示所有其他端口的synced标记都为 真。当端口角色发生变化，或者其他端口有端口进入转发状 态，synced语义发生变化，应该复位；
(5)agreed.指定端口收到协商成功的标记。当端口角色不是指定端 口，agreed应该复位。
其中synced的语义和端口角色相关。对于非跟端口(指定端口、 可选端口、备份端口)，表示端口处于阻塞状态；对于根端口，表示 所有其他端口都处于阻塞状态。因此如果端口角色发生，或者端口状 态发生变化，synced的语义也发生了变化，正常的情况下应该把synced 标记复位，避免语义的混淆。
从协议标记语义分析中，可以看到各个协商标记的语义非常明 确。当网络拓扑环境发生变化的时候，协商标记的语义可能不存在了。 如指定端口设置了proposing标记希望快速进入转发状态，但是如果端 口角色发生重新选举，变成了根端口，那么端口的proposing标记为真 的语义就失去了，此时需要复位proposing标记，使proposing符合语义。
当拓扑发生变化的情况下，如果协商标记的语义不符合要求，可 能就会发生不正确的快速协商，造成指定端口在网络拓扑没有达成一 致的情况下，快速进入转发状态，导致网络临时环路。
具体来说，就是网络拓扑发生变化的时候需要确保协商标记符合 语义。这里详细说明端口角色变化和端口状态转换的时候保证协商标 记的语义(协议实现的其他地方也需要保证协商标记的语义，这里不 一一列举)。
当端口角色发生变化的时候，协商标记的语义可能发生变化。此 时需要根据情况恢复协议标记。如指定端口设置了synced标记，当端 口角色转换为根端口后synced标记如果没有复位，则根端口可能认为 其他端口处于阻塞状态而在协商的时候直接回应agreement。简单的解 决方法就是在端口角色发生变化的时候，复位所有协商标记，即复位 proposing、proposed、sync、synced和agreed标记。
当端口状态发生变化的时候，协商标记语义可能发生变化。最直 接的就是synced标记的语义：
(1)端口进入转发状态后，没有能够复位本端口的synced标记，此 时synced标记不符合语义。
如指定端口转发后，应该不处于阻塞状态，此时synced标记应该 复位以保持语义。
(2)指定端口转发后，没有复位根端口的synced标记。
由于根端口的synced标记管理所有其他端口的synced标记，表示 所有其他端口都处于阻塞状态。当存在其他端口不处于阻塞状态的时 候，根端口的synced标记应该复位以保持语义。同时proposing、agreed 复位以保持正常的语义。
本发明针对RSTP协议的快速状态转换的缺陷进行修改。在不改 变快速切换机制的情况下，很好的避免了端口快速转换过程中可能导 致的临时环路问题，保证了局域网正常的通信。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领 域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和 范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限 于最佳实施例和附图所公开的内容。
RSTP快速转换的基本原理就是在点对点(全双工)的链路上， 如果指定端口和与之相连的桥就网络拓扑达成一致，也就是相连桥除 了根端口外，所有其他端口都处于阻塞状态(discarding)，指定端口 就可以快速转换为转发状态(forwarding)。这一过程通过提议 (proposing)、被提议(proposed)、同步(sync)、已同步(synced) 和同意(agreed)这5个协议标记进行协商。
快速状态转换基本原理中synced标记为真的条件为：
(1)对于非根端口(指定端口、可选端口、备份端口)，端口状态必 须处于阻塞状态；
(2)对于根端口，必须其他端口的synced标记全部为真，即其他端 口都处于转发状态。
在实施RSTP协议的时候，常用冗余备份的组网环境下，改变网 络拓扑就可能造成网络临时环路。实际组网环境中常使用的冗余备份 拓扑，其中生成树的根桥优先级最高，其他桥采用默认配置，所有端 口都是点对点链路，当修改根桥的优先级为所有桥中最低或者根桥断 电的时候，就可以导致网络发生临时环路，发生广播风暴。
上述产生广播风暴的原因是，当网络拓扑环境发生变化的时候， 协商标记的语义可能不存在了，如果协商标记的语义不符合要求，就 可能会发生不正确的快速协商，造成指定端口在网络拓扑没有达成一 致的情况下，快速进入转发状态，导致网络临时环路。
因此在快速生成树协议下快速状态转换时，防止临时环路产生的 解决方案就是，网络拓扑发生变化的时候需要确保协商标记符合语 义。当端口角色发生变化的时候，协商标记的语义可能发生变化。此 时需要根据情况恢复协议标记，简单的解决方法就是在端口角色发生 变化的时候，复位所有协商标记，即复位proposing、proposed、sync、 synced和agreed标记。当端口状态发生变化的时候，协商标记语义可 能发生变化。最直接的就是synced标记的语义，由于根端口的synced 标记管理所有其他端口的synced标记，表示所有其他端口都处于阻塞 状态，当存在其他端口不处于阻塞状态的时候，根端口的synced标记 应该复位以保持语义，同时proposing、agreed也要进行相应的处理以 保持正常的语义。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1是快速协商流程图；
图2常用网络拓扑图示意图；
图3不正确的协商过程示意图；
图4快速协商流程在状态机中的变迁流程图。
最佳实施例详细描述
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
图1显示了桥B1和桥B2进行快速协商的流程。其中桥B1的B1p0 端口是指定端口；桥B2的B2p0端口是根端口，B1p1、B2p2端口为上 文提到的其他端口。当协商完成以后，桥B1的B1p0端口就可以直接 进入转发状态了，而不需要延迟一段时间才能进入转发状态。
RSTP快速转换的基本原理就是在点对点(全双工)的链路上， 如果指定端口和与之相连的桥就网络拓扑达成一致，也就是相连桥除 了根端口外，所有其他端口都处于阻塞状态，指定端口就可以快速转 换为转发状态。具体通过以下5个协议标记进行协商，具体协商步骤 如下：
(1)proposing如图中1s所示，期望快速转发的指定端口发起提议， 并把该标记2s(proposal)设置在报文中发送给相连的根端口。
(2)proposed如图1中的3s所示，根端口从点对点的链路上接收到 指定端口的请求，设置为proposed标记。
(3)sync如图1中的5s所示，当proposed标记设置后，根端口设置所 有其他端口的sync标记，希望它们进行同步4s，进入discarding 状态7s。
(4)synced如图1中的6s所示：
i)其他端口收到sync请求进行响应，转发的端口转换为阻塞 状态，设置synced标记；本来处于非转发状态的端口直接 设置synced标记。
ii)根端口管理所有其他端口的synced标记。如果所有其他端 口都设置了synced标记，那么根端口也设置synced标记，认 为其他端口都进入了阻塞状态8s。
iii)根端口设置了synced标记，就发送协商同意(agreement) 的报文，同意指定端口快速转发9s。
(5)agreed如图1中的11s所示，指定端口收到根端口的协商同意标 记10s，设置agreed标记，就可以直接进入转发状态，无需延 迟。
端口快速协商不一定需要所有其他端口都进入阻塞状态。对于某 些具有特殊性质的端口，如不与任何交换机相连的边界(edge)端口， 可以处于转发状态。文中说需要进入阻塞状态，主要是针对大多数情 况而言，避免总提及特殊情况的处理。
图2是实际组网环境中常使用的冗余备份拓扑。其中桥B3优先级 最高，是生成树的根桥(生成树的树根)，其他桥采用默认配置，所 有端口都是点对点链路。执行如下两种操作之一就可以导致网络发生 临时环路，发生广播风暴：
(1)修改桥B3的优先级为所有桥中最低；
(2)桥B3断电。
广播风暴发生的原因是，当网络拓扑发生变化后(如桥B3断电)， 指定端口和与之相连的端口发生了不正确的协商。图3为不正确的协 商过程示意图，不正确的协商过程如下：
(1)桥B2上的指定端口B2p1发送proposing请求；
(2)桥B4根端口收到proposing，设置proposed标记；
(3)桥B4根端口的synced标记为真，直接回应了agreement标记；
(4)桥B2收到agreement报文，设置agreed标记，直接进入转发状 态。
问题的原因就是桥4根端口直接回应了agreement标记，但是此时 网络拓扑并没有形成一致。通过分析桥B4上协商标记的值，特别是 synced标记的值，发现设置synced的时候，不满足快速状态转换基本 原理中synced标记为真的条件：
(1)桥B4上的指定端口B4p2设置了synced标记，但是处于转发状 态；
(2)桥B4上的根端口B4p1设置了synced标记，但是存在其他端口 为转发状态。
RSTP通过一系列状态机来控制协议状态变迁。涉及到协商标记 的状态机主要有四个，下面简单介绍一下这些状态机的功能：
(1)端口信息状态机
处理报文信息、时间信息；
(2)角色转换状态机
负责端口角色(指定端口、根端口、可选端口、备份端口等)
发生变化时的处理；
(3)状态转换状态机
端口状态变化的处理，即端口转发、阻塞的处理；
(4)发送状态机
发送STP报文的状态机；
图4所示为快速协商流程在状态机中的变迁过程：从图4中可以清 楚的看出各协商标记具有明确的语义，特别是synced标记的语义最为 重要，这里详细论述一下各协商标记：
(1)proposing.代表指定端口进行协商请求。当端口角色发生变化， 或者端口已经处于转发状态，proposing应该恢复；
(2)proposed.根端口收到协商请求。当端口角色发生变化， proposed应该恢复；
(3)sync.根端口同步其他端口。角色发生变化后改语义发生变；
(4)synced.
i)非根端口处于阻塞状态设置改标记。当端口角色发生变化、 或者端口进入转发状态，该synced标记应该复位；
ii)根端口的synced表项表示所有其他端口的synced标记都为 真。当端口角色发生变化，或者其他端口有端口进入转发状 态，synced语义发生变化，应该复位；
(5)agreed.指定端口收到协商成功的标记。当端口角色不是指定端 口，agreed应该复位。
其中synced的语义和端口角色相关。对于非跟端口(指定端口、 可选端口、备份端口)，表示端口处于阻塞状态；对于根端口，表示 所有其他端口都处于阻塞状态。因此如果端口角色发生，或者端口状 态发生变化，synced的语义也发生了变化，正常的情况下应该把synced 标记复位，避免语义的混淆。
从协议标记语义分析中，可以看到各个协商标记的语义非常明 确。当网络拓扑环境发生变化的时候，协商标记的语义可能不存在了。 如指定端口设置了proposing标记希望快速进入转发状态，但是如果端 口角色发生重新选举，变成了根端口，那么端口的proposing标记为真 的语义就失去了，此时需要复位proposing标记，使proposing符合语义。
当拓扑发生变化的情况下，如果协商标记的语义不符合要求，可 能就会发生不正确的快速协商，造成指定端口在网络拓扑没有达成一 致的情况下，快速进入转发状态，导致网络临时环路。
具体来说，就是网络拓扑发生变化的时候需要确保协商标记符合 语义。这里详细说明端口角色变化和端口状态转换的时候保证协商标 记的语义(协议实现的其他地方也需要保证协商标记的语义，这里不 一一列举)。
当端口角色发生变化的时候，协商标记的语义可能发生变化。此 时需要根据情况恢复协议标记。如指定端口设置了synced标记，当端 口角色转换为根端口后synced标记如果没有复位，则根端口可能认为 其他端口处于阻塞状态而在协商的时候直接回应agreement。简单的解 决方法就是在端口角色发生变化的时候，复位所有协商标记，即复位 proposing、proposed、sync、synced和agreed标记。
当端口状态发生变化的时候，协商标记语义可能发生变化。最直 接的就是synced标记的语义：
(1)端口进入转发状态后，没有能够复位本端口的synced标记，此 时synced标记不符合语义。
如指定端口转发后，应该不处于阻塞状态，此时synced标记应该 复位以保持语义。
(2)指定端口转发后，没有复位根端口的synced标记。
由于根端口的synced标记管理所有其他端口的synced标记，表示 所有其他端口都处于阻塞状态。当存在其他端口不处于阻塞状态的时 候，根端口的synced标记应该复位以保持语义。同时proposing、agreed 复位以保持正常的语义。
本发明针对RSTP协议的快速状态转换的缺陷进行修改。在不改 变快速切换机制的情况下，很好的避免了端口快速转换过程中可能导 致的临时环路问题，保证了局域网正常的通信。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领 域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和 范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限 于最佳实施例和附图所公开的内容。
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