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10-4 橋接網路的擴張樹
10-4-1 橋接 網路迴路問題 如果利用多個橋接器所連結之網路，稱之為『橋接區域網路』（Bridge LAN, BLAN）。在一個 BLAN 上，我們為了提高網路的可靠性，便希望網路具有迴路功能。如果網路上某一連線斷線，可以經過其它迴路傳送訊框，而不至於使網路被隔離成若干個小網路。但有迴路的 BLAN，會造成橋接器學習上的困難。如圖 10-15 中，橋接器 X 學習到工作站 A 是隸屬於埠口 1 和 2，而網路橋 Y 也學習到工作站 A 隸屬於埠口 1 和 2。如果工作站 B 欲傳送資料給工作站 A，當訊框進入橋接器 X 的第二埠口時，它將不予轉送（隸屬於埠口 2）。同樣的，這個訊框進入橋接器 Y，也不予轉送，因此該訊框就無法到達工作站 A。
圖 10-15 橋接網路之迴路問題 10-4-2 橋接 網路的擴張樹 我們希望有迴路的橋接網路(或交換器網路)，以提高網路的可靠度，但又不希望迴路造成橋接器學習上的困擾，這就必須利用『擴張樹』（Spanning Tree）演算法來解決此問題。擴張樹演算法是在有迴路網路之中，隔離了某些路徑，使其成為沒有迴路的樹狀網路。但這些被隔離之路徑成為預備路徑，如果網路上某些路徑發生故障時，擴張樹演算法也許會再利用這些被隔離之路徑，重新建構新的樹狀網路。例如，圖 10-16 (a) 為有迴路的橋接網路，經過擴張樹演算法處理後，使橋接器 3 的第 2 埠口和橋接器 5 的第 1 埠口暫時被隔離開（成為預備路徑），使網路成為沒有迴路的樹狀網路（擴張樹），其結果如圖 10-16 (b) 所示。
圖 10-16 (a) 橋接網路之擴張樹範例
圖 10-16 (b) 橋接網路之擴張樹的演算結果 下面讓我們來看看橋接器之擴張樹演算法的運作原理。IEEE 802.1D 標準中，制定一個『分散式擴張樹演算法』（Distributed Spanning Tree Algorithm），希望製造商能夠依此標準來製造橋接器。該標準採用分散式演算法，表示『擴張樹』是由網路上所有橋接器共同建構而成，並非有某一個集中控制器處理。首先，我們來描述擴張樹的特性如下：（請參考圖 10-16） (1) 根點橋接器（Root Bridge）：表示在擴張樹中的根點位置的橋接器。一般都取所有橋接器之中，橋接器識別碼最小者當之。如圖 10-16 (b) 中，橋接器1 的識別碼最小（ID = 10）成為根點橋接器。 (2) 傳輸費用（Transmission Cost, TC）：橋接器上每一個埠都有一個傳輸費用，一般都以傳輸速率來評估，傳輸速率愈高，則費用愈低。有些情況會將其他因素也加入評估，例如延遲時間、承租線路費用、以及線路品質等等。 (3) 路徑費用（Path Cost）：路徑費用是由橋接器的埠口到達根點橋接器，所經過路徑之傳輸費用的總和。在有迴路的網路之下，每一個橋接器也許會有多條路徑到達根點橋接器，因此必須紀錄每一埠口的路徑費用，以作為選擇最短路徑之依據。如橋接器 5 的第一埠口的路徑費用為 25（= 5 + 10 + 10）和 15（= 5 + 5 + 5）；而第二埠口為 5。 (4) 根埠口（Root Port）：除了根點橋接器以外，每一個橋接器都有一個根埠口。在有迴路的網路之下，橋接器也許可經由多個埠口到達根點橋接器，我們選擇其中最短路徑的埠口作為根埠口。亦即，在擴張樹之下，每一橋接器只有一個根埠口。例如橋接器 5 的根埠口為第二埠口。 (5) 根路徑費用（Root Path Cost, RPC）：表示每一橋接器由它的根埠口到達根點橋接器之費用。此費用必須告知相鄰的橋接器，經由本橋接器到達根點橋接器的費用。每部橋接器由所收到的其它橋接器之路徑費用，才可評估出經由哪一個路徑，費用會最低。 (6) 代理埠口（Designated Port）：每一網路也可能經由許多橋接器的埠口到達根點橋接器，我們亦選擇其中最短路徑者，作為該網路的『代理埠口』。亦即，在擴張樹之下，每一網路只有一個代理埠口。如網路 5 的代理埠口為橋接器 4 的第二個埠口。 (7) 代理橋接器（Designated Bridge）：擁有代理埠口之橋接器為代理橋接器。如網路 5 的代理橋接器為橋接器 4。 由以上針對擴張樹演算法的描述，我們大略可以了解，擴張樹必須經由所有橋接器，互相交換訊息才可建構而成，因此，IEEE 802.1D 制定『橋接器通訊協定』（Bridge Protocol）標準，讓橋接器之間依此協定互相交換訊息，在協定中規範所交換的『橋接器協定資料單元』（Bridge Protocol Data Unit，BPDU）必須包含下訊息：（只列出部分訊息） a. 根點橋接器識別碼：表示本橋接器已確定哪一部橋接器為根點橋接器。 b. 根點路徑費用（RPC）：經由本橋接器到達根點橋接器之費用。 c. 橋接器識別碼：本橋接器之唯一識別碼。 d. 埠口識別碼：本訊框（BPDU）是由橋接器的哪一埠口送出。 擴張樹演算法最主要的原理是：『找出所有橋接器或區域網路到達根點橋接器的最短路徑』。每一橋接器到根點橋接器之埠口，稱之為『根埠口』；而每一區域網路到達根點橋接器之埠口，稱之為『代理埠口』（兩者都是唯一埠口）。如果某一埠口（任一橋接器上）都不屬於這兩類埠口（根埠口或代理埠口），則表示它已被隔離了。IEEE 802.1D 標準所制定的分散式擴張樹演算法，主要包含三個步驟： a. 找出根端點橋接器（Root Bridge）。 b. 找出每一橋接器的根埠口（Root Port）（根點橋接器除外）。 c. 找出每一區域網路的代理埠口（Designated Port）。 各步驟以下分述之： (A) 找出根點橋接器（Root Bridge） 找出根點橋接器是要找出所有橋接器之中識別碼最小者。每一橋接器啟動時，並不知道其它橋接器的識別碼，便將自己設定為根點橋接器，並廣播 BPDU 給其它橋接器。BPDU 訊框包含有：『根點橋接器識別碼』為本身識別碼，『根點路徑費用』（RPC）為 0，『橋接器識別碼』為本身識別碼，『埠口識別碼』為送出訊息之埠口。當然，橋接器也會收到其它橋接器廣播 BPDU，便比較本身的識別碼是否大於訊框內之根點橋接器識別碼，如果大於它（表示自己優先權較低），則將自己的 RPC 和訊框內 RPC 相加，再填入訊框內，並往其它埠口傳送；如果識別碼小於訊框的（表示自己優先權較高），則將該訊框丟棄，自己再造一個 BPDU 廣播出去（原先如有傳送過，就不必再傳送）。 如此，經過兩個傳遞延遲時間後，某一橋接器都沒有收到比自己識別碼更小的 BPDU，則表示自己是根點橋接器，並再發送一次 BPDU 給其它橋接器，而 RPC 設定為 0。其它橋接器在競爭當中，最後收到的 BPDU 中，其識別碼為最小，也找出根點橋接器識別碼之位置。 (B) 找出每一橋接器的根埠口（Root Port） 在尋找根點橋接器時，每一橋接器會收到由各埠口傳送進來的 BPDU（因為有迴路現象）。此時，橋接器比較哪一埠口的 RPC 最小，就設定為『根埠口』，並以該埠口的 RPC 作為本橋接器的 RPC。運作程序以圖 10-17 來說明，首先已確定橋接器 1 為根點橋接器，它將 RB-ID 設定成自己，並將 RPC 設定為 0，再廣播 BPDU 給其它橋接器。橋接器 2 由第一埠口收到最小 RPC 的 BPDU，便設定埠口 1 為『根埠口』，再將 BPDU 上的 RPC 加上根埠口的路徑費用後（0 + 20 = 20）往其它埠口傳送。依此類推，每一橋接器都會找到根埠口與其根路徑費用。
圖 10-17 橋接器之根埠口與根路徑費用 (C) 找出每一區域網路的代理埠口（Designated Port） 在有迴路的環境之下，每一區域網路都可能會有許多路徑到達根點橋接器，這些路徑也許經由不同的橋接器或埠口。想在若干路經之中找出最短路徑（RPC 值最小），必須在橋接器之間，互相比較誰的 RPC 最小者取得代理權。但因為橋接器之間，皆不知道對方的 RPC 值，必須經過競爭原則來決定優勝者。其方法如下：首先任一橋接器沒收到其它的 RPC 值，便發佈自己為代理埠口，再將 BPDU 發送到網路上。其它橋接器如認為自己的 RPC 較小，可另發佈 BPDU 來表示自己才是代理者。但每一橋接器收到 RPC 的時間不一定相同，因此，在比較過程之中，會有隨時變動的可能。 我們用圖 10-18 來說明，如何找出代理埠口的運作程序，依照圖中步驟編號說明如下： (1) 橋接器 Z 由埠口 1 收到 RPC = 40 的 BPDU。 (2) 計算本身之 RPC = 50，並設定埠口 1 為根埠口（RP =1），並自認埠口 2 為 LAN W 之代理埠口（D(W) = 2） (3) 橋接器 Z 將 RPC = 50 廣播到 LAN W 上。 (4) 橋接器 X 收到 RPC = 50 之訊息，計算本身之 RPC = 60，並設定 RP =1。橋接器 Y 亦同，RPC = 55、RP = 1。 (5) 橋接器 X 由埠口 2 收到另一個 RPC = 20 的 BPDU。 (6) 計算本身的 RPC = 35，比原先的 RPC 小，因此更改根埠口為 2（RP = 2）， 及設定 D(W) =1（RPC 的值比橋接器 Z 的小）。 (7) 橋接器 X 將 RPC = 35 之訊息發送到網路上。 (8) 橋接器 Y 收到訊息，計算 RPC = 40，RP 還保留 1。橋接器 Z 也收到訊息，計算 RPC = 35，發現比埠口 1 進來的小，便更改 RP 為 2，且放棄 D(W)之代理權。 (9) 橋接器 Y 由埠口 2 收到 RPC = 25 的 BPDU。 (10) 橋接器 Y 計算 RPC = 27，發現比原先的值小，便更改 RP 為 2，並設定埠口 1 為網路代理埠口。 (11) 橋接器 Y 將 RPC = 27 之訊息發送到網路上。 (12) 橋接器 X 收到訊息，發現 RPC 的值比自己的小，便放棄 D(W)，再計算 RPC = 37，RP 還是保留 2。同樣的，橋接器 Z 計算 RPC = 37，RP 保留埠口 2。 經過上述運作程序後，其結果如圖 10-18 (b) 所示。我們發現橋接器 X 的第一埠口皆不屬於根埠口及代理埠口中的任何一種，因此，該埠口就被隔離了。但對於橋接器 Z 上的第一埠口是否被隔離，這必須視下一個網路的連結情況而定。雖然，網路上的迴路問題可以解決，但網路情況隨時改變，所以橋接器必須隨時發送『問候訊框』，查詢網路是否有發生異常障礙。至於網路中某一路徑發生故障時，如何重新建構擴張樹的問題，留給讀者自己去探討，作者不再贅言。
圖 10-18 (a) 找出區域網路代理埠口之範例
圖 10-18 (b) 擴張樹演算法運作後結果
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