摘要：我們先來看兩臺交換機的情形。但是我們忽略了，兩個交換機也是能收到廣播包的。，也就是指定交換機。，網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元。只有掌門能發(fā)，隸屬于某個掌門的交換機只能傳達掌門的指示。于是，所有的交換機都認為自己是掌門，每個網(wǎng)橋都分配了一個。

????上一次，我們通過宿舍聯(lián)網(wǎng)打魔獸的需求，認識了如何通過物理層和鏈路層組建一個宿舍局域網(wǎng)。今天，讓我們切換到稍微復(fù)雜點的場景，辦公室。

????在這個場景里，就不像在宿舍那樣，搞幾根網(wǎng)線，拉一拉，扯一扯就可以了。一個辦公室少到數(shù)十人，大至上百人，每個人都有一個網(wǎng)口，如果再算上整個樓層樓層、甚至整棟樓，這個網(wǎng)口就更多了。

????類似辦公室這樣，這些復(fù)雜場景的網(wǎng)絡(luò)布線就牽扯出一個專業(yè)名詞-拓撲結(jié)構(gòu)。

????在解釋拓撲結(jié)構(gòu)前，我們要先明白什么是拓撲。拓撲是 Topology 的音譯，直譯是地志學，最早指研究地形、地貌相類似的有關(guān)學科。現(xiàn)在是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的一個學科。

????計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是引用拓撲學中研究與大小、形狀無關(guān)的點、線關(guān)系的方法，把網(wǎng)絡(luò)中的計算機和通信設(shè)備抽象為一個點，把傳輸介質(zhì)抽象為一條線，由點和線組成的幾何圖形就是計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。

????上面說過，每個辦公室會有幾十個甚至上百個網(wǎng)口。這個時候，一個交換機肯定不夠用，需要多臺交換機連接，而多臺交換機連接就形成了一個稍微復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)。

????我們先來看兩臺交換機的情形。兩臺交換機連接著三個局域網(wǎng)，每個局域網(wǎng)上都有多臺機器。如果機器 1 只知道機器 4 的 IP 地址，當它想要訪問機器 4 時，把包發(fā)出去的時候，它必須知道機器 4 的 MAC 地址。我們來看看這個過程：

機器 1 發(fā)起廣播，機器 2 和交換機 A 都收到廣播。機器 2 收到廣播后，知道不是找它的，所以沒它什么事。

交換機 A 一開始是不知道任何拓撲信息的，在它收到這個廣播后，采取的策略是，除了廣播包來的方向外，它還要轉(zhuǎn)發(fā)給其他所有的網(wǎng)口。

機器 3 和交換機 B 收到了廣播信息了，同樣的，機器 3 也知道和它沒什么關(guān)系。

交換機 B 收到廣播信息后，這時候它也不知道任何拓撲信息，所以也進行廣播，將包轉(zhuǎn)發(fā)到局域網(wǎng)三，也就是機器 4 和機器 5。

機器 4 收到廣播是，它發(fā)現(xiàn)是找它的，就主動響應(yīng)說，這是找我的，我的 MAC 地址是 XXX。

????在機器 1 收到機器 4 的 MAC 地址后，一個 ARP 請求就成功完成了。

????在上面過程中，交換機 A 和交換機 B 都是能夠?qū)W習到這樣的信息：

機器 1 是在左邊這個網(wǎng)口。

????當了解這樣的信息后，如果機器 2 訪問 機器 1，機器 2 發(fā)起一個 ARP 請求獲取機器 1 的 MAC 地址，這個廣播消息會發(fā)給機器 1 和交換機 A。這個時候交換機 A 已經(jīng)知道機器 1 是在左邊的網(wǎng)卡，所以它就不會將請求廣播到局域網(wǎng)二和局域網(wǎng)三。

????就這樣，當交換機學習完所有的拓撲信息后，兩臺交換機工作得會越來越好。

????但是隨著辦公室越來越大，交換機數(shù)量肯定會越來越多，當整個拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這么多網(wǎng)線繞來繞去，不可避免的就會出現(xiàn)一些意料之外的情況，其中最常見的問題就是環(huán)路問題。

????如下圖。當兩個交換機環(huán)路連接兩個局域網(wǎng)時，你知道會出現(xiàn)什么結(jié)果嗎？

????我們來想象下機器 1 訪問機器 2 的過程。

機器 1 發(fā)起 ARP 廣播

機器 2 收到廣播，把 MAC 地址返回。

????咦，整個過程很順利，沒什么問題。

????但是我們忽略了，兩個交換機也是能收到廣播包的。我們來看看兩個交換機的廣播過程：

交換機 A 開始不知道拓撲信息，于是將廣播信息放到局域網(wǎng)二

消息在局域網(wǎng)二廣播，交換機 B 右網(wǎng)卡收到廣播消息，于是將信息放到局域網(wǎng)一

消息在局域網(wǎng)一廣播，交換機 A 左網(wǎng)口收到消息，又將廣播信息放到局域網(wǎng)二

......

????看出來了嗎？這樣一直廣播，就會形成一個環(huán)路，最終成為廣播風暴，知道網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

上面過程，可能會有人說，兩臺交換機逐漸學習到拓撲結(jié)構(gòu)后 ，是不是就可以了？那就讓我們來看下它們的學習過程：

在局域網(wǎng)一，交換機 A、B 收到機器 1 的廣播包后，知道機器 1 都是在左網(wǎng)口

當廣播放到局域網(wǎng)二后，交換機 B 右網(wǎng)口又收到了來自機器 1 的廣播包，于是就誤會機器 1 換位置了，就記住了機器 1 是在右網(wǎng)口，把之前學習到的信息清理掉

同理，交換機 A 右網(wǎng)口收到了機器 1 的廣播包，同樣誤會了，于是也學會了，機器 1 在右網(wǎng)口，不是在左網(wǎng)口

????就這樣，兩個交換機會不斷刷新“三觀”，機器 1 是在左網(wǎng)口，過一會，發(fā)現(xiàn)不對，機器 1 是在右網(wǎng)口，過了一會，又發(fā)現(xiàn)不對，是在左網(wǎng)口。于是，又形成了一個“廣播風暴”。

????那么，有什么方法可以解決環(huán)路問題呢？這就到了 STP 協(xié)議出場的時候了。

????在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有一個方法叫作最小生成樹。有環(huán)的我們常稱為圖。將圖中的環(huán)破了，就生成了樹。而在計算機網(wǎng)絡(luò)中，生成樹的算法叫作 STP（Spanning Tree Protocol）。

????STP 協(xié)議比較復(fù)雜，一開始很難看懂，讓我們來通過華山論劍，決出五岳盟主的方式看看生成樹的過程。

????在 STP 協(xié)議里面有很多概念，譯名就非常拗口，讓我們以門派中的職位來幫助大家理解。

Root Bridge，也就是根交換機。可以比喻為“掌門”交換機，是某棵樹的老大。

Designated Bridge，也就是指定交換機。這個比較難理解，可以想象成一個“小弟”，對于樹來說，就是一棵樹的樹枝。所謂“指定”的意思是，我拜誰做大哥，其他交換機通過這個交換機到達根交換機，也就相當于拜他做了大哥。這里注意是樹枝，不是葉子，因為葉子往往是主機。

Bridge Protocol Data Units（BPDU），網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元?？梢员扔鳛椤跋嗷ケ容^實力“的協(xié)議。行走江湖，比的就是武功，拼的就是實力。當兩個交換機碰見的時候，也就是相連的時候，就需要互相比比內(nèi)力。BPDU 只有掌門能發(fā)，隸屬于某個掌門的交換機只能傳達掌門的指示。

Priority Vector，優(yōu)先級向量?？梢员扔鳛閷嵙Γㄖ翟叫≡脚＃?。實力是啥？就是一組 ID，[Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID, and Port ID]。為什么這樣設(shè)計呢？這是因為要看怎么來比實力。先看 Root Bridge ID，也就是老大的 ID，發(fā)現(xiàn)掌門一樣，那就是師兄弟；再比 Root Path Cost，也就是我距離我老大的距離，也就是拿和掌門的關(guān)系比，看同一個門派內(nèi)誰和老大關(guān)系鐵；最后比 Bridge ID，比我自己的 ID，拿自己的本事比。

????概念都準備好了，下面我們看看 STP 是怎么工作的。

????一開始，江湖紛爭，異常混亂。大家都覺得自己是掌門，誰也不服誰。于是，所有的交換機都認為自己是掌門，每個網(wǎng)橋都分配了一個 ID。這個 ID 里有管理員分配的優(yōu)先級，當然管理員指定哪些交換機性能好，就給它們分配高的優(yōu)先級。這種交換機生下來武功就很高，起步就是喬峰。

????既然都是掌門，互相都連長網(wǎng)線，那就互相發(fā)送 BPDU 來比功夫唄。這一比就發(fā)現(xiàn)，有人是岳不群，有人是封不平。贏的人接著做掌門，輸?shù)木椭缓米鲂〉芰恕．斦崎T的還會繼續(xù)發(fā) BPDU，而輸?shù)娜司蜎]有機會了，它們就只有在收到掌門發(fā)的 BPDU 的時候，轉(zhuǎn)發(fā)一下，表示服從命令。

????數(shù)字表示優(yōu)先級。就像上面的圖，5 和 6 碰見了，6 的優(yōu)先級低（數(shù)字越小，優(yōu)先級越高），所以乖乖做小弟。于是，一個小門派形成，5 是掌門，6 是小弟。其他諸如 1-7、2-8、3-4 這樣的小門派也誕生了。接著，這些小的門派就好相互合并。

????合并的過程會出現(xiàn)以下四種情形。

情形一：掌門遇見掌門

????當 5 碰到了 1，掌門碰見掌門，1 覺得自己是掌門，5 也剛剛跟別人 PK 完，成為掌門。這倆掌門比功夫，最終 1 勝出，于是 5 就率領(lǐng)所有的小弟歸順。結(jié)果就是 1 成功大掌門。

情形二：同門相遇

????同門相遇可以是掌門與自己的小弟相遇，這說明存在“環(huán)”了。這個小弟已經(jīng)通過其他門路拜在你門下，結(jié)果你還不認識，還 PK 了一把。結(jié)果掌門發(fā)現(xiàn)這個小弟功夫不錯，不應(yīng)該級別這么低，就把它招到門下親自帶，那這個小弟就相當于升職了。

????我們再來看，假如 1 和 6 相遇。6 原來就拜在 1 的門下，只不過 6 的上司是 5，5 的上司是 1。1 發(fā)現(xiàn)，6 距離我只有 2，比從 5 這里過來的 5（=4+1）近多了，那 6 就直接向我匯報吧。于是，5 和 6 分別匯報給 1。

????同門相遇還可以是小弟相遇。這個時候就要比較誰和掌門的關(guān)系近。近的當大哥。剛才 5 和 6 同時向 1 匯報，后來 5 和 6 相遇比功夫的時候發(fā)現(xiàn)，5 你直接匯報給 1 距離是 4，如果 5 匯報給 6 再匯報給 1 ，距離只有 2+1=3，所以 5 干脆拜 6 為上司。

情形三：掌門與其他幫派小弟相遇

????小弟拿本幫掌門和這個掌門比，贏了，這個掌門就拜入門下，輸了，就拜入新掌門，并且會主鍵拉攏和自己連接的兄弟，一起“棄暗投明”。

????例如，2 和 7 相遇，雖然 7 是小弟，2 是掌門，就個人武功而言，2 比 7 強，但是 7 的掌門是 1，比 2 牛，所以沒辦法，2 要拜入 7 的門派，并且連同自己的小弟都一起拜入。

情形四：不同小弟相遇

????各自拿掌門比較，輸了的拜入贏的門派，并且逐漸將與自己連接的兄弟拉入新門派。

????例如，5 和 4 相遇。雖然 4 的武功好于 5，但是 5 的掌門是 1，比 4 牛，于是 4 拜入 5 的門派。后來當 3 和 4 相遇的時候，3 發(fā)現(xiàn) 4 已經(jīng)“叛變”了，4 說我現(xiàn)在老大是 1，比你牛，要不你也來吧，于是 3 也拜入 1。

????最紅，生成一棵樹，武林一統(tǒng)，天下太平。但是天下統(tǒng)一久了，也會有相應(yīng)問題。常見的有廣播和安全問題。

????機器多了，交換機也多了，就算交換機比 Hub 智能一些，但是還是難免有廣播的問題。一大堆機器，相關(guān)的部門、不相關(guān)的部門，廣播一大堆，性能就下來了。

????就像一家公司，創(chuàng)業(yè)的時候，十來個人，坐在一個會議室，有事情大家討論下，非常方便。當時如果變成了 50 個，全在一個會議室吵吵，就會亂的不得了。

????另一方面，一個公司里，有的部門需要保密，比如人事部門，肯定要討論升職加薪的事情。但是如果在一個廣播域里，碰到一個會抓包的程序員，就能看的沒有加密的敏感信息。

????那咋辦？能咋辦，分部門，分會議室唄，讓我們來看看怎么分。

????有兩種分的方法。一個是物理隔離。每個部門設(shè)一個多帶帶的會議室，對應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)方面，就是每個部門有多帶帶的交換機，配置多帶帶的子網(wǎng)。這樣部門之間的溝通就需要路由器了。

????這樣的問題在于，有的部門人多，有的部門人少，而且部門的人數(shù)也會頻繁發(fā)生變化，如果每個部門有多帶帶的交換機，網(wǎng)口多了浪費，少了又不夠用。

????這時候，虛擬隔離就出來了。虛擬隔離，就是我們常說的 VLAN，或者叫做虛擬局域網(wǎng)。

????使用 VLAN，一個交換機上會連屬于多個局域網(wǎng)的機器，那交換機是怎么區(qū)分哪個機器屬于哪個局域網(wǎng)呢？

????我們只需要在原來的二層頭上加一個 TAG，里面有個 VLAN ID，共 12 位，可以劃分 4096 個 VLAN。對于普通辦公室，這個數(shù)量應(yīng)該是夠用的。

????如果我們買的交換機支持 VLAN，當這個交換機把二層的頭取下來的時候，就能夠識別這個 VLAN ID。這樣只有相同的 VLAN 的包，才會互相轉(zhuǎn)發(fā)，不同 VLAN 的包，是看不到的。

????這樣，廣播和安全問題就能夠解決了。

這樣，復(fù)雜的辦公室網(wǎng)絡(luò)布線就被我們用交換機與 VALN 搞定了。

參考：

百度百科-拓撲結(jié)構(gòu)

劉超-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系列課