8021D协议白皮书2.docx
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8021D协议白皮书2
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保密等级
页数
34
802.1D协议白皮书
初稿
刘璐
日期
2003-4-26
修改
杨艳红
苏夕庆
日期
2003-6-11
2003-6-16
批准人
日期
目录
修订记录2
目录3
1概述3
1.1介绍3
1.2范围3
2.支持的MAC服务3
2.1为MAC服务提供支持4
2.2MAC服务的保留4
2.3服务质量的保持4
2.3.1服务可用性4
2.3.2帧丢失5
2.3.3帧错序5
2.3.4帧重复5
2.3.5传输延时5
2.3.6帧生命周期5
2.3.7未监测到的帧错误率5
2.3.8最大服务数据单元长度6
2.3.9用户优先级6
2.3.10吞吐量6
2.4在MAC网桥内提供的内部子层服务6
2.5通过特殊的MAC过程支持内部子层服务7
2.6过滤服务7
3工作原理7
3.1网桥的工作7
3.1.1转发8
3.1.2转发和过滤信息8
3.2网桥的构架9
3.3工作模型9
3.4帧接收10
3.5帧发送10
3.6转发过程11
3.5.1拓扑限制11
3.5.2帧过滤11
3.5.3帧排队11
3.5.4选择帧发送12
3.5.5匹配优先级12
3.5.6重新计算FCS12
3.7学习过程12
3.8过滤数据库13
3.7.1静态过滤表13
3.7.2动态过滤表13
3.7.3组注册表14
3.7.4永久数据库14
3.9寻址14
3.8.1终端站点14
3.8.2网桥端口14
3.8.3桥协议实体和GARP协议实体14
3.8.4网桥管理实体16
3.8.5网桥的唯一标示16
3.8.6保留地址16
3.8.7更高层协议的连接点16
4.生成树算法和协议17
4.1算法需要达到的目标17
4.2MAC网桥的要求17
4.3总论18
4.3.1活动拓扑及其计算18
4.3.2拓扑信息的传播19
4.3.3重新配置19
4.3.4改变端口状态19
4.3.5通报拓扑改变20
4.4端口状态21
4.5协议参数和计数器22
4.5.1配置BPDU参数和格式22
4.5.2拓扑改变通知BPDU参数和格式23
4.5.3网桥参数24
4.5.4Bridgetimers25
4.5.5端口参数25
4.5.6Porttimers26
4.6几个重要的过程26
4.7网桥协议实体的管理31
4.7.1初始化31
4.7.2使能端口31
4.7.3不使能端口31
4.7.4改变网桥优先级31
4.7.5改变端口优先级31
4.7.6设定路径费用32
4.8参数范围32
1概述
1.1介绍
802.1d标准标题为:
MediaAccessControl(MAC)Bridges。
使用MAC网桥可以将IEEE802中定义的所有类型的局域网(LAN)连接在一起构成一个桥接LAN(BridgedLAN)。
在桥接LAN中,尽管每个LAN的MAC服务是分开的,但是分属于不同LAN的站点可以相互通信就像它们在一个LAN中一样。
MAC网桥工作于MAC服务的边界,对于上层协议是透明的,如LLC子层和网络层。
桥接LAN可以提供不同MAC类型LAN之间的互连;有效的增加了物理范围,网络容量和LAN的性能;也提供了分割物理网端的功能。
1.2范围
802.1d标准保证了IEEE802MAC服务的数据处理设备相互连接的兼容性。
该标准包括如下的部分。
1.在MAC子层的构架描述中定位网桥的功能。
2.定义MAC网桥的工作原理,关于支持和保留MAC服务,保持QoS。
3.单个LAN提供的MAC内部子层服务到在网桥中提供帧中继的介质接入独立功能。
4.网桥需要实现的功能,按照提供这些功能的进程和实体给出网桥内部工作的构架模型。
5.用网桥间的协议配置网络的要求,特别是SpanningTree工作拓扑的分布式计算。
6.BPDU的编码。
7.在桥接LAN中进行网桥管理的要求,指出管理目标,定义管理过程。
8.如何制定管理过程以使远程管理者可用,使用802-2:
1995中其提供的协议和构架。
9.性能要求和网桥工作参数的推荐的缺省值和可用范围。
10.遵循这个标准的设备的要求。
11.指出MAC-specific桥接方法的使用标准。
使用WAN介质连接LAN的RemoteBridges的特性不在本标准的讨论范围之内。
2.支持的MAC服务
MAC网桥连接分离的IEEE802LAN,形成一个桥接LAN,网桥在不同的MAC之间中继并过滤帧。
桥接功能在MAC子层的位置如下图所示:
2.1为MAC服务提供支持
在桥接LAN中为每个终端站点所提供的MAC服务为无连接模式的MAC服务,在ISO/IEC15802-1中定义。
MAC服务描述了用户数据在源和目的终端站点之间的传送,MAC帧包括4个参数:
目的地址,源地址,MAC服务数据单元(MSDU)和优先级。
网桥需要保证MAC服务在桥接LAN中有最大的可用性,并且维护桥接LAN。
因此网桥必须能够1)在终端站点之间提供冗余路径,以便在网桥或LAN出现故障时能够继续提供服务。
2)在终端站点之间的路径是可预知的和可配置的。
2.2MAC服务的保留
由MAC网桥连接起来的多个LAN组成的桥接LAN所提供的MAC服务就像这是一个单一的LAN所提供的服务一样,因此
a)网桥不被终端站点直接寻址,除非网桥因为管理的目的被当作终端站点,即在终端站点之间传送的帧所携带的目的MAC地址不应是网桥的MAC地址。
b)在桥接LAN中的所有MAC地址必须是唯一的。
c)终端站点的MAC地址不被桥接LAN的拓扑和配置所限制。
2.3服务质量的保持
MAC子层为连接在一个LAN或一个桥接LAN的终端站点提供MAC服务。
网桥所支持的服务质量不应该比单一LAN所支持的服务质量差。
应该考虑的服务质量的参数包括以下几个方面。
2.3.1服务可用性
服务可用性用能够提供MAC服务的时间和全部时间的比值来衡量。
网桥的工作可以增加或减少服务可用性。
桥接LAN的自动重配置以避免数据链路中的故障可以增加服务可用性。
网桥自身的故障,拒绝服务,帧过滤会降低服务的可用性。
拒绝服务发生在自动重配置的时候,对于一些被拒绝了的终端站点,重配置是没有意义的,因此,这些终端站点的服务可用性降低了。
网桥过滤帧用于将流量限制在本地,但是当终端站点被移走后,在网桥的过滤信息被更新之前,新的终端发送的帧会被丢弃。
为了最大化服务可用性,除了组件的故障、移动或插入之外,网桥不应该引起服务的丢失或延迟。
任何附加的外部协议的工作必须保持MAC服务的质量。
2.3.2帧丢失
MAC服务并不保证服务数据单元的传输可靠性。
被源站点发送的帧以最大的可能性完好无损的到达目的站点。
网桥的工作引入了最小的额外帧丢失。
引起帧丢失的原因两类,第一类是由于在物理层的发送和接收时的帧冲突。
第二类是网桥丢弃帧,其包含以下几点:
1)帧因为超过了最大生命周期没有被发送出去因此被丢弃。
2)因为到达的数据流量太大,内部BUFFER的存储能力不够而丢弃帧。
3)数据单元超过了将要中继到的LAN所支持的最大数据单元。
4)在拓扑改变时,为了保证另一部分的服务质量而在有限的时间内必须丢弃帧。
2.3.3帧错序
MAC服务并不允许帧的重新排序。
网桥根据帧的目的地址和源地址,按照一定的优先级顺序以接收的顺序转发帧。
对于在源和目的站点之间存在多个路径时,网桥协议的工作保证一个路径被使用。
这是生成树协议的作用之一。
2.3.4帧重复
MAC服务不允许帧重复。
网桥的工作不能引入帧重复。
桥中的并发发送和源和目的站点存在多条路径时会出现帧重复。
2.3.5传输延时
MAC服务介绍了与介质和MAC方法相关的传输延迟。
传输延迟为请求原语和只是原语之间的间隔时间。
MAC服务不能准确计算全部的传输延迟的值,但是可以测量介质接入、发送、接收,以及中间系统,如网桥所引起的延迟。
网桥引起的帧包括接收帧和发送帧以及其他的时间。
网桥需要全部接收帧并计算FCS。
2.3.6帧生命周期
MAC服务保证在一次通信中传输延迟不超过一个上限值。
为了确保上层信义的工作正确,帧有最大生命周期是必要的。
超出最大生命周期的帧需要被丢弃。
2.3.7未监测到的帧错误率
MAC服务通过使用FCS域来限制为检测到的帧错误率,接收的目的站点来检测FCS值。
由于不用的MAC方法所计算的FCS不同,因此网桥必须进行FCS的重新计算。
这样网桥有可能引入附加的未检测到的错误。
在相同MAC类型的LAN之间转发帧不应该比保留FCS所产生的未检测到的帧错误率高。
2.3.8最大服务数据单元长度
网桥支持其所连接的最小的数据单元长度的LAN的数据单元长度。
2.3.9用户优先级
帧的用户优先级可以在帧的MACtypes中标明,因为并不是所有的MACtypes都能够在帧中标明优先级,因此网桥通过帧中的信息和网桥的配置信息重新生成优先级。
如果帧中没有用户优先级信息,那么优先级按照端口来重新生成,对于所有端口缺省的用户优先级是0。
可以由管理来修改。
2.3.10吞吐量
桥接LAN所提供的全部吞吐量远远大于单个LAN所提供的吞吐量。
网桥通过过滤可以将业务限制在本地。
经过网桥通信的终端站点之间的吞吐量可能会因为帧丢弃而降低。
2.4在MAC网桥内提供的内部子层服务
在网桥内部MAC实体到MAC转发实体提供了内部子层服务。
其工作与不同类型的LAN上。
这种服务的用户数据原语为:
M_UNITDATA.indication(
frame_type,
mac_action,
destination_address,
source_address,
mac_service_data_unit,
user_priority,
frame_check_sequence
)
和M_UNITDATA.request(
frame_type,
mac_action,
destination_address,
source_address,
mac_service_data_unit,
user_priority,
access_priority,
frame_check_sequence
)
2.5通过特殊的MAC过程支持内部子层服务
这部分讲述了将内部子层服务映射到不同802MAC类型的MAC协议和过程。
2.6过滤服务
提供过滤服务的目的:
1)管理控制:
过滤服务提供在特定的网络部分针对于目的地址和源地址的管理控制,如通过限定某一目的地址来限制网络层协议的工作范围。
2)流量和终端站点负载:
过滤服务增加了网络的整体流量,减少了终端站点接收帧的负载。
过滤服务的目标
1)MAC服务提供者可以动态的学习接收到帧的地址。
2)允许终端站点动态告诉MAC服务提供着那些目的MAC地址是它希望接收的。
3)通过特定MAC地址帧的传播来实现管理控制。
过滤服务的用户
网络管理,终端站点。
服务种类
1)基本的过滤服务,通过过滤过程以及过滤数据库中的静态过滤实体和动态过滤实体实现。
在动态过滤实体中的信息通过学习过程实现。
本标准中定义的过滤服务基于源地址的学习和基于目的地值的过滤。
2)扩展的过滤服务,通过过滤过程以及过滤数据库中的静态过滤实体和组登记实体实现。
组登记实体中的信息通过GMRP操作维护。
扩展过滤服务包括支持动态组转发和过滤行为;单个MAC地址的静态过滤信息针对于端口的转发或过滤作决定,基于动态过滤信息。
所有网桥应该支持基本过滤服务,对扩展过滤服务的支持可选。
3工作原理
3.1网桥的工作
1)转发帧和过滤帧
2)维护做出转发和过滤决定所要求的信息
3)管理
3.1.1转发
MAC网桥转发连接不同LAN的端口收到的MAC用户数据帧。
支持转发和QoS的功能有以下几个
a)帧接收
b)丢弃错误帧
c)丢弃frame_type不是user_data_frame,或如果mac_action参数不是request_with_no_response.
d)重新生成用户优先级。
重新生成用户优先级时使用包含在帧中和接收端口所对应的UserPriorityRegenerationTable中的信息。
e)按照过滤信息丢弃帧
f)丢弃超出最大传输单元的帧
g)将接收到的帧转发到其他交换端口
h)在应用过滤信息后选择业务等级
i)按照业务等级排队
j)丢弃帧以确保没有超过最大网桥传输延时
k)在队列中选择要发送的帧
l)选择输出接入优先级
m)映射服务数据单元并且重新计算FCS。
n)帧发送
3.1.2转发和过滤信息
为了避免帧的重复发送网桥需要计算和配置桥接LAN的拓扑以保持在两个终端站点之间只存在唯一的一条路径。
为了减少流量被转发到源和目的站点间路径所不涉及的部分,需要保留下面这些信息:
1)保留地址的永久配置。
2)直接配置静态过滤信息。
3)通过观察源地址,自动学习单播目的地址的动态过滤信息。
4)老化学习到的动态过滤信息。
5)通过GMRP协议自动增减动态过滤信息。
为了支持一些严格的或时间敏感的服务,需要支持直接配置业务种类信息以确定业务种类和端口的对应关系。
3.2网桥的构架
如图7-3所示,网桥的架构包括
1)MAC转发实体:
其完成转发帧,过滤帧,学习过滤信息的功能。
其与MAC方法无关,使用每个端口的MAC实体所提供的内部子层服务来实现转发不同LAN的数据。
其包括转发过程、学习过程和过滤数据库三部分。
2)端口:
每个网桥端口向其所连接的LAN上接收发送帧。
一个MAC实体永久的与一个端口相连,MAC实体提供内部子层服务,并且处理与MAC方法相关的功能。
每个端口包括状态信息。
并且至少包含LLCTYPE1过程,支持上层协议的工作。
端口的状态可以为由管理功能定义的不使能,则端口不参与帧转发和生成树算法。
其他状态由生成树协议定义。
3)更高层实体:
包括用于计算和重新配置桥接LAN拓扑的网桥协议实体。
其他高层协议如网桥管理,GARP应用实体等。
这些高层协议使用LLC过程。
LLC过程由每个端口实现,并且使用MAC实体所提供的服务。
3.3工作模型
1)转发过程:
转发接收的需要转发给其他桥端口的数据帧,根据过滤数据库中的信息和端口的状态对数据帧进行过滤;
2)学习过程:
观察每个端口上接收数据帧的源地址,根据端口的状态更新过滤数据库;
3)过滤数据库:
保持过滤信息,支持转发过程对于发送到某目的地址的帧是否从特定端口发送的查询。
每个端口也像终端一样为LLC提供MAC服务,从而支持桥协议实体的工作。
3.4帧接收
由每个端口相连的MAC实体完成。
首先检查帧是否错误,错误帧被丢弃。
然后将收到的帧分类,为用户数据帧并且是不需应答的被提交给学习和转发过程。
其它类型的帧不被提交给转发过程,但是可以被提交给学习过程。
如果帧为用户数据帧但是其将网桥的端口作为目的站点,则提交给LLC,这个帧的目的地址可以为单播地址也可以为组地址。
提交给LLC的帧同时被提交给学习和转发过程。
目的站点为网桥端口的帧即使是同一个网桥的不同端口之间的转发,也要被提交给LLC。
接收过程需要重新生成帧的用户优先级信息。
这项工作通过端口上的用户优先级重新生成表完成。
表如下图所示:
该表中的重新生成的用户优先级一项可以通过管理功能更改,范围为0—7。
这样使每个端口的优先级有了很大的灵活性。
注意这个对应表只有本地的意义,保持帧所经过的所有端口的优先既有一致性很重要。
3.5帧发送
网桥每个端口的MAC实体发送MAC转发实体提交的帧,帧的源地址和目的地址都为转发过程决定,帧发送过程不更改。
发送LLC提交LLC协议数据单元,发送过程将帧的源地址定义为本端口地址。
同时将此帧提交给MAC转发实体。
3.6转发过程
3.5.1拓扑限制
拓扑限制包含以下几个方面
a)接收端口为转发状态
b)发送端口为转发状态
c)发送端口不是接收端口
d)帧长不超过最大传输单元
3.5.2帧过滤
在符合拓扑限制的端口接收到的帧过滤基于以下三点
a)接收帧的目的MAC地址
b)关于这个MAC地址和接收端口的在过滤数据库中的信息
c)缺省的组过滤行为,这是针对于所有符合拓扑限制条件的端口进行组播。
3.5.3帧排队
转发过程存储帧,并且在每个端口上按照一定的优先级对帧进行排队。
同一个网桥端口上接收到的优先级、目的地址、源地址都相同的单播帧的排列顺序与接收顺序相同;相同优先级和目的地址的组播帧的排列顺序与接收顺序相同。
转发过程可以为一个端口提供多个发送队列,每个队列有一个业务类型。
如为4级队列,则对应为有4个业务类。
因为有户优先级一般为7个,而发送队列的个数不定,因此用户优先级与业务类有一个对应关系表。
帧一旦被提交就不在队列中保留。
如果帧超时将被丢弃。
如果帧超过网桥的最大传输延迟将被丢弃。
如果一个端口不是fowarding了,那么该端口上的队列应该被丢弃。
3.5.4选择帧发送
对于每个端口,只有当高的业务等级发送完了之后才能够发送低的业务等级。
同一个业务等级应该按照接收顺序发送。
也可以选择其他的算法,但是必须满足上一节的内容。
3.5.5匹配优先级
指用户优先级到输出接入优先级的匹配,主要与输出的介质类型有关,对于802.3均为0。
3.5.6重新计算FCS
由于网桥所连接的不同LAN的MAC方法的不同,因此必须从新计算FCS。
3.7学习过程
学习每个端口接收到的帧的源地址,更新接收端口的过滤数据库。
进行学习的条件为:
1)接收端口的状态允许学习。
2)源地址为单播地址,非组地址。
3)没有此MAC地址的静态过滤条款存在
4)当过滤数据库满了时,删除旧的条款以接收新的条款。
3.8过滤数据库
过滤数据库分为静态和动态的两部分,静态的为手动配置或远程管理设置(在clause14部分说明),不能被老化,静态条款可以是针对单播地址的也可以是针对组地址的。
动态的分为两种,一种为动态过滤条款(DynamicFilteringEntries),通过学习过程创建和更新,为端口和源MAC地址的对应关系。
另一种为组注册实体(GroupRegistrationEntries),其支持组MAC地址的注册,其通过GMRP协议来创建和更新,支持扩展的滤波服务。
过滤服务定义了网桥转发的缺省行为为目的地址为组MAC地址。
如果网桥支持扩展的过滤服务,其对缺省的组地址可以通过配置静态过滤条款或配置组注册条款来静态或动态的配置。
其可以配置为所有组地址,也可以配置为所有未登记的组地址。
当帧的目的地址符合某一条静态过滤条款时,其被转发或过滤与动态过滤条款无关。
不满足静态条款则根据动态过滤信息转发或过滤,如果也不满足动态过滤信息则根据转发到缺省的组地址处理。
动态过滤条款不能通过管理来创建或更新。
如果存在关于这个MAC地址的静态过滤条款,则不能创建关于它的动态条款,如果已经存在了动态条款则应该删除。
动态过滤实体的老化时间,推荐300s,范围10.0—1000000.0s,可以通过管理功能来设定,更改粒度为1s。
在生成树算法协议网络拓扑发生的时候,动态过滤实体的老化时间会变小。
3.7.1静态过滤表
1)MAC地址:
可以是一个单播MAC地址,或一个组MAC地址,或所有组MAC地址,或所有的未注册组MAC地址;
2)端口映射:
对于符合该要求目的MAC地址的帧的与动态过滤表无关的转发和过滤,或者基于动态过滤表或组MAC地址的转发或过滤。
3.7.2动态过滤表
1)单独的MAC地址;
2)转发帧到特定端口的端口映射。
动态过滤表是通过学习过程得到了,不能静态创建,并且动态过滤表经过一段时间后会被动态的删除,这段时间也就是老化时间。
对于一MAC地址当由静态过滤信息存在时,不能动态对它进行创建和更新。
3.7.3组注册表
1)MAC地址:
一个组MAC地址,或者没有静态条目的所有组MAC地址,或者没有静态条目存在的所有未注册组MAC地址;
2)端口映射:
对于特定目的MAC地址的输出端口。
组注册表由GMRP创建、修改、删除。
每个MAC地址只有一个组注册实体。
3.7.4永久数据库
永久数据库(permanentdatabase)为静态过滤条款和静态VLAN注册条款的固定存储。
初始化时用永久数据库的内容初始化静态过滤数据库。
通过管理过程可以增加更改永久数据库,但是只有在重新初始化时这些更改才能被应用。
3.9寻址
在桥接LAN中的所有的MAC实体应该使用48BIT地址通信。
这些地址可以为全球通用地址,本地地址,或者是两者的结合。
3.8.1终端站点
帧在传输中所带的目的MAC地址和源地址均为终端站点的,桥的地址或标示不用于帧转发。
广播地址和其它的组MAC地址用于MAC服务来寻址整个的桥接LAN,当没有明确的静态过滤条款或组登记条款对其进行过滤时,这样的帧将被转发到整个桥接LAN。
3.8.2网桥端口
每个桥端口所联接的MAC实体应该有一个独立的MAC地址。
如果一个端口接收到目的地址为本端口地址的帧,网桥将其提交给LLC。
3.8.3桥协议实体和GARP协议实体
桥协议实体仅仅接收和发送BPDU,并且这些BPDU是从其它网桥的协议实体接收和发送的,当然也有网桥的两个端口处于一个LAN的情况。
GARP协议实体仅仅接收和发送GARPPDUs。
这些GARPPDUs仅仅被接收和发送从其它GARP协议实体。
桥协议实体和GARP协议实体通过LLC实体接收或发送信息。
安排给它们的标准LLC目的地址和源地址为01000010(0x42)。
为了区分GARPPDUs和BPDU,标准还为BPDU和GARPPDUs定义了ProtocolIdentiferfield。
BPDU的ProtocolID为0,GARPPDUs的ProtocolID为1。
BPDU帧的目的MAC地址为01-80-C2-00-00-00,这个组地址应该被配置在永久数据库中。
GARPPDU帧的目的MAC地址如下表所列。
在只提供基本的过滤服务的网桥中,GARP
应用的地址不被配置在过滤数据库或永久数据库中。
在支持扩展过滤服务的网桥中。
GARP应用地址应该被配置为静态过滤条款在过滤数据库和永久数据库中。
承载BPDU或GARPPDUs的帧的原MAC地址为发送该帧的网桥端口的MAC地址。
3.8.4网桥管理实体
网桥的管理实体通过LLC实体发送或接收协议数据单元,LLC实体需要使用MAC服务。
在桥接LAN中的所有管理实体的地址相同,为01-80-C2-00-00-10,这样可以保证不会收到重复的帧。
3.8.5网桥的唯一标示
每一个网桥应该有一个唯一的48位的通用管理M
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