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

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

????在這個(gè)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(gè)辦公室少到數(shù)十人，大至上百人，每個(gè)人都有一個(gè)網(wǎng)口，如果再算上整個(gè)樓層樓層、甚至整棟樓，這個(gè)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(gè)專業(yè)名詞-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

????在解釋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前，我們要先明白什么是拓?fù)洹Ｍ負(fù)涫?Topology 的音譯，直譯是地志學(xué)，最早指研究地形、地貌相類似的有關(guān)學(xué)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(gè)學(xué)科。

????計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是引用拓?fù)鋵W(xué)中研究與大小、形狀無關(guān)的點(diǎn)、線關(guān)系的方法，把網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備抽象為一個(gè)點(diǎn)，把傳輸介質(zhì)抽象為一條線，由點(diǎn)和線組成的幾何圖形就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

????上面說過，每個(gè)辦公室會(huì)有幾十個(gè)甚至上百個(gè)網(wǎng)口。這個(gè)時(shí)候，一個(gè)交換機(jī)肯定不夠用，需要多臺交換機(jī)連接，而多臺交換機(jī)連接就形成了一個(gè)稍微復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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

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

交換機(jī) A 一開始是不知道任何拓?fù)湫畔⒌模谒盏竭@個(gè)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(jī)器 3 和交換機(jī) B 收到了廣播信息了，同樣的，機(jī)器 3 也知道和它沒什么關(guān)系。

交換機(jī) B 收到廣播信息后，這時(shí)候它也不知道任何拓?fù)湫畔ⅲ砸策M(jìn)行廣播，將包轉(zhuǎn)發(fā)到局域網(wǎng)三，也就是機(jī)器 4 和機(jī)器 5。

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

????在機(jī)器 1 收到機(jī)器 4 的 MAC 地址后，一個(gè) ARP 請求就成功完成了。

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

機(jī)器 1 是在左邊這個(gè)網(wǎng)口。

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

????就這樣，當(dāng)交換機(jī)學(xué)習(xí)完所有的拓?fù)湫畔⒑螅瑑膳_交換機(jī)工作得會(huì)越來越好。

????但是隨著辦公室越來越大，交換機(jī)數(shù)量肯定會(huì)越來越多，當(dāng)整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，這么多網(wǎng)線繞來繞去，不可避免的就會(huì)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(dāng)兩個(gè)交換機(jī)環(huán)路連接兩個(gè)局域網(wǎng)時(shí)，你知道會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果嗎？

????我們來想象下機(jī)器 1 訪問機(jī)器 2 的過程。

機(jī)器 1 發(fā)起 ARP 廣播

機(jī)器 2 收到廣播，把 MAC 地址返回。

????咦，整個(gè)過程很順利，沒什么問題。

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

交換機(jī) A 開始不知道拓?fù)湫畔ⅲ谑菍V播信息放到局域網(wǎng)二

消息在局域網(wǎng)二廣播，交換機(jī) 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(jī) 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(huì)形成一個(gè)環(huán)路，最終成為廣播風(fēng)暴，知道網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

上面過程，可能會(huì)有人說，兩臺交換機(jī)逐漸學(xué)習(xí)到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后 ，是不是就可以了？那就讓我們來看下它們的學(xué)習(xí)過程：

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

當(dāng)廣播放到局域網(wǎng)二后，交換機(jī) B 右網(wǎng)口又收到了來自機(jī)器 1 的廣播包，于是就誤會(huì)機(jī)器 1 換位置了，就記住了機(jī)器 1 是在右網(wǎng)口，把之前學(xué)習(xí)到的信息清理掉

同理，交換機(jī) A 右網(wǎng)口收到了機(jī)器 1 的廣播包，同樣誤會(huì)了，于是也學(xué)會(huì)了，機(jī)器 1 在右網(wǎng)口，不是在左網(wǎng)口

????就這樣，兩個(gè)交換機(jī)會(huì)不斷刷新“三觀”，機(jī)器 1 是在左網(wǎng)口，過一會(huì)，發(fā)現(xiàn)不對，機(jī)器 1 是在右網(wǎng)口，過了一會(huì)，又發(fā)現(xiàn)不對，是在左網(wǎng)口。于是，又形成了一個(gè)“廣播風(fēng)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(shí)候了。

????在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)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(jì)算機(jī)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(jī)。可以比喻為“掌門”交換機(jī)，是某棵樹的老大。

Designated Bridge，也就是指定交換機(jī)。這個(gè)比較難理解，可以想象成一個(gè)“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(jī)通過這個(gè)交換機(jī)到達(dá)根交換機(jī)，也就相當(dāng)于拜他做了大哥。這里注意是樹枝，不是葉子，因?yàn)槿~子往往是主機(jī)。

Bridge Protocol Data Units（BPDU），網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元。可以比喻為“相互比較實(shí)力“的協(xié)議。行走江湖，比的就是武功，拼的就是實(shí)力。當(dāng)兩個(gè)交換機(jī)碰見的時(shí)候，也就是相連的時(shí)候，就需要互相比比內(nèi)力。BPDU 只有掌門能發(fā)，隸屬于某個(gè)掌門的交換機(jī)只能傳達(dá)掌門的指示。

Priority Vector，優(yōu)先級向量。可以比喻為實(shí)力（值越小越牛）。實(shí)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(jì)呢？這是因?yàn)橐丛趺磥肀葘?shí)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(gè)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(zhǔn)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(jī)都認(rèn)為自己是掌門，每個(gè)網(wǎng)橋都分配了一個(gè) ID。這個(gè) ID 里有管理員分配的優(yōu)先級，當(dāng)然管理員指定哪些交換機(jī)性能好，就給它們分配高的優(yōu)先級。這種交換機(jī)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．?dāng)掌門的還會(huì)繼續(xù)發(fā) BPDU，而輸?shù)娜司蜎]有機(jī)會(huì)了，它們就只有在收到掌門發(fā)的 BPDU 的時(shí)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(gè)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(huì)出現(xiàn)以下四種情形。

情形一：掌門遇見掌門

????當(dāng) 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(gè)小弟已經(jīng)通過其他門路拜在你門下，結(jié)果你還不認(rèn)識，還 PK 了一把。結(jié)果掌門發(fā)現(xiàn)這個(gè)小弟功夫不錯(cuò)，不應(yīng)該級別這么低，就把它招到門下親自帶，那這個(gè)小弟就相當(dāng)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(bào)吧。于是，5 和 6 分別匯報(bào)給 1。

????同門相遇還可以是小弟相遇。這個(gè)時(shí)候就要比較誰和掌門的關(guān)系近。近的當(dāng)大哥。剛才 5 和 6 同時(shí)向 1 匯報(bào)，后來 5 和 6 相遇比功夫的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，5 你直接匯報(bào)給 1 距離是 4，如果 5 匯報(bào)給 6 再匯報(bào)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(gè)掌門比，贏了，這個(gè)掌門就拜入門下，輸了，就拜入新掌門，并且會(huì)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(gè)人武功而言，2 比 7 強(qiáng)，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(dāng) 3 和 4 相遇的時(shí)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(huì)有相應(yīng)問題。常見的有廣播和安全問題。

????機(jī)器多了，交換機(jī)也多了，就算交換機(jī)比 Hub 智能一些，但是還是難免有廣播的問題。一大堆機(jī)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(shí)候，十來個(gè)人，坐在一個(gè)會(huì)議室，有事情大家討論下，非常方便。當(dāng)時(shí)如果變成了 50 個(gè)，全在一個(gè)會(huì)議室吵吵，就會(huì)亂的不得了。

????另一方面，一個(gè)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(gè)廣播域里，碰到一個(gè)會(huì)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(huì)議室唄，讓我們來看看怎么分。

????有兩種分的方法。一個(gè)是物理隔離。每個(gè)部門設(shè)一個(gè)多帶帶的會(huì)議室，對應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)方面，就是每個(gè)部門有多帶帶的交換機(jī)，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(huì)頻繁發(fā)生變化，如果每個(gè)部門有多帶帶的交換機(jī)，網(wǎng)口多了浪費(fèi)，少了又不夠用。

????這時(shí)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(gè)交換機(jī)上會(huì)連屬于多個(gè)局域網(wǎng)的機(jī)器，那交換機(jī)是怎么區(qū)分哪個(gè)機(jī)器屬于哪個(gè)局域網(wǎng)呢？

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

????如果我們買的交換機(jī)支持 VLAN，當(dāng)這個(gè)交換機(jī)把二層的頭取下來的時(shí)候，就能夠識別這個(gè) VLAN ID。這樣只有相同的 VLAN 的包，才會(huì)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(jī)與 VALN 搞定了。

參考：

百度百科-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

劉超-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系列課