NOVA場監(jiān)網(wǎng)絡中STP自愈功能的實現(xiàn)

區(qū)志廣

【摘 要】NOVA場監(jiān)系統(tǒng)組網(wǎng)所使用的CSICO 3560型智能交換機，其本身自帶光模塊和網(wǎng)絡堆疊功能，按網(wǎng)路實現(xiàn)構建成了一個多交換機的層疊環(huán)路結構，通過STP機制，實現(xiàn)網(wǎng)路冗余故障自愈。

【關鍵詞】NOVA；場面監(jiān)視；STP；廣播風暴

引言

Indra公司的NOVA場面雷達監(jiān)視系統(tǒng)（以下簡稱場監(jiān)系統(tǒng)）是目前國內大型機場中最為常見的場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)之一。機場塔臺管制員負責機場內跑道、滑行道、停機坪上飛機和車輛的統(tǒng)一交通管制。場監(jiān)系統(tǒng)為其管制工作提供了重要的自動化保障。由于現(xiàn)代管制工作對自動化設備的依賴性不斷增加，一旦系統(tǒng)設備或網(wǎng)絡出現(xiàn)突發(fā)重大故障，如果無法在極短時間排障恢復，將會造成航班流控，甚至極易引發(fā)空管安全事件。

1 .場監(jiān)系統(tǒng)網(wǎng)絡結構特點

NOVA9000場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)向地面管制員提供以場面運動雷達SMR為中心15000英尺為半徑的范圍內的全天時，全天候的目標定位和識別信息。系統(tǒng)能在雷達能掃描到的有效范圍內探測和跟蹤定位諸如飛機和汽車之類的目標并加以區(qū)分和引導。

整個系統(tǒng)的局域網(wǎng)結構的設計為雙網(wǎng)總線型網(wǎng)絡結構，配備冗余雙服務器這一硬件設計使得任何單一節(jié)點的失效都不會導致系統(tǒng)出現(xiàn)致命故障情況。多個子系統(tǒng)服務器，如TECAMS、SDS、RPS、CWP，都配備了雙網(wǎng)口，通過雙絞線分別連接至雙局域網(wǎng)交換機。為了確保某一單元數(shù)據(jù)不會在主網(wǎng)絡結構中產(chǎn)生環(huán)路的情況，必要的時候交換機可以激活“生成樹”機制運作。

2 .STP生成樹技術原理

STP，即Spanning Tree Protocol，網(wǎng)絡生成樹協(xié)議。該網(wǎng)絡專用協(xié)議的基本原理是，在環(huán)路網(wǎng)絡中通過一定的算法實現(xiàn)路徑冗余，同時將環(huán)路網(wǎng)絡修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡，從而避免報文在環(huán)路網(wǎng)絡中的增生和無限循環(huán)。STP通過在交換機之間傳遞一種特殊的協(xié)議報文來確定網(wǎng)絡的拓撲結構。配置消息中包含了足夠的信息來保證交換機完成生成樹計算。該協(xié)議在IEEE802.1D文檔中被定義為按照樹的結構來構造網(wǎng)絡拓撲，以消除網(wǎng)絡中的環(huán)路，避免由以太網(wǎng)環(huán)路而引發(fā)的網(wǎng)絡問題。

STP的基本思想就是生成“一棵樹”，樹的根是一個稱為根橋的交換機，根據(jù)設置不同，不同的交換機會被選為根橋，但任意時刻只能有一個根橋。由根橋開始，逐級形成一棵樹，根橋定時發(fā)送配置報文，非根橋接收配置報文并轉發(fā)，如果某臺交換機能夠從兩個以上的端口接收到配置報文，則說明從該交換機到根有不止一條路徑，便構成了循環(huán)回路，此時交換機根據(jù)端口的配置選出一個端口并把其他的端口阻塞，以消除循環(huán)。當某個端口長時間不能接收到配置報文時，交換機認為端口的配置超時，網(wǎng)絡拓撲可能已經(jīng)改變，此時重新計算網(wǎng)絡拓撲，重新生成一棵樹。

在二層網(wǎng)絡鏈路中，一臺節(jié)點交換機出現(xiàn)故障有可能會影響整個網(wǎng)絡的使用。為了避免存在單點故障，在實際的二層鏈路中會采用鏈路冗余，也就是采用交換設備之間多條聯(lián)絡連接，即多臺交換機之間都有連接，這樣即使一臺故障了，也可以通過其他節(jié)點通信，這就是鏈路冗余。但是又會隨之產(chǎn)生非常致命的網(wǎng)絡問題。因為各個交換機設備之間都有鏈路連接，數(shù)據(jù)報到達目的主機的路線會增多，從而使數(shù)據(jù)報在交換機之間不斷被轉發(fā)，最終形成一個環(huán)路。多鏈路形成環(huán)路造成的致命危害有：

1. 形成廣播風暴： 數(shù)據(jù)報在環(huán)路上不斷地被廣播轉發(fā)形成廣播風暴。

2. 多重復幀復制： 交換機在接受到不確定單播幀時，將執(zhí)行泛洪操作，即在環(huán)路中一個單播幀在傳輸中被復制成為多個復本。

3. MAC地址表不穩(wěn)定： 如果交換機在不同的端口收到同一個幀，MAC數(shù)據(jù)庫會混亂。

以上三種情況不論是哪一種，都將會使二層網(wǎng)絡鏈路發(fā)生崩潰。而STP生成樹協(xié)議的作用就是可使以上問題迎刃而解。STP協(xié)議是二層鏈路上的協(xié)議，生成樹機制可以使冗余鏈路中的環(huán)路循環(huán)轉發(fā)得以自動終止。這種網(wǎng)絡保護技術，可以消除由于失誤或者意外帶來的網(wǎng)路循環(huán)連接，有效避免了局域網(wǎng)中的單點故障和網(wǎng)絡回環(huán)后所造成環(huán)危害。

生成樹協(xié)議隨著網(wǎng)絡的不斷發(fā)展而不斷更新?lián)Q代，發(fā)展到現(xiàn)在共有三代： 第一代 STP/RSTP ； 第二代PVST/PVST+（思科特有）； 第三代 MTSTP/MSTP。

3 . STP生成樹機制在場監(jiān)系統(tǒng)中的運用

在白云機場塔臺目前在用的NOVA場監(jiān)系統(tǒng)上組網(wǎng)所使用的是CSICO（思科）3560型智能交換機，其本身自帶光模塊和網(wǎng)絡堆疊功能，按網(wǎng)路實現(xiàn)構建成了一個多交換機的層疊結構，實現(xiàn)了一定程度上網(wǎng)路冗余。

堆疊后堆疊思科3560在同一個端口收發(fā)分別上行和下行，最終形成了一個環(huán)形結構，實現(xiàn)了環(huán)內缺失節(jié)點后的網(wǎng)絡自愈。任何兩臺成員交換機之間的數(shù)據(jù)交換都需繞環(huán)一周，經(jīng)過所有交換機的交換端口。使用兩個高速光端口實施菊花鏈式堆疊，選擇實現(xiàn)了環(huán)形的冗余。在正常情況下，任何時刻下菊花鏈式結構環(huán)路中的某一從交換機到達主交換機只能通過一個高速端口進行，即一個高速端口不能分擔本交換機的上行數(shù)據(jù)壓力，需要通過所有上游交換機來進行交換。

為克服該種鏈路冗余級聯(lián)方案帶來的網(wǎng)路環(huán)路的影響，在網(wǎng)絡上必須依靠交換機的STP功能來進行抑制。在生成樹協(xié)議生效后，假如出現(xiàn)端口之間的物理環(huán)路，則只有一個端口是指定端口，另一個端口被置于阻塞狀態(tài)。處于阻塞狀態(tài)的端口不能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀，從而避免了自環(huán)所帶來的問題。而當場監(jiān)網(wǎng)絡出現(xiàn)異常，環(huán)路被打破時，始終還有一個端口處于解除阻塞的狀態(tài)，保持發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀，保證場監(jiān)信號的正常傳輸。生成樹協(xié)議令網(wǎng)絡中一臺交換機為節(jié)點生成一棵轉發(fā)樹，而樹是沒有環(huán)路的，這樣所有的數(shù)據(jù)都只在這棵樹所指示的路徑上傳輸，就不會產(chǎn)生環(huán)路網(wǎng)絡風險。

4 .結束語

本文對STP技術原理和場監(jiān)系統(tǒng)的冗余網(wǎng)絡結構進行了詳細技術分析。全面論述了STP協(xié)議在該系統(tǒng)中對保持冗余和控制環(huán)路起的重要作用。隨著研究的深入，希望我們日后能這些網(wǎng)絡技術更好地應用于國產(chǎn)新系統(tǒng)之上，大力對推動我國系統(tǒng)和網(wǎng)絡的發(fā)展。

參考文獻：

[1] PARK AIR SYSTEM TECHNICAL AND MAINTENANCE MANUAL- Project No：1002953.

[2] 快速生成樹RSTP詳解 IT技術之家 201208.