CN101310482A

CN101310482A - 生成生成树的方法

Info

Publication number: CN101310482A
Application number: CNA2005800517962A
Authority: CN
Inventors: J·法卡斯; G·托思
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: DK1935145T3; US8483097B2; WO2007043919A1; EP1935145A4; BRPI0520582A2; US20110026438A1; CN101310482B; ATE538567T1; US7804791B2; EP1935145A1; EP1935145B1; US20080316917A1

Abstract

一种在网络(NW2)中生成生成树(ST1，ST2，ST3)的方法。所述网络具有通过链路(L2)互连的节点(A－K)，并且所述树用于处理链路和节点故障。要处理链路故障，对于每条链路(L2)至少有一个不包括该链路的树(ST1，ST2)。出现节点故障时，对于每个节点(A－K)，至少有一个生成树(ST1－ST3)，该特定节点通过单条链路(L2)连接到所述生成树。第一个生成树(ST1)连接所有节点(A－K)，并且从每个节点留有一条链路未连接。第二个树(ST2)包括所有节点和所有未连接链路。没有链路在两个树(ST1，ST2)中都包括。如果节点B出故障，则节点A无法与节点C和D通信，因此，需要第三个树(ST3)。该方法具有的优点是对于任何拓扑的大网络也提供少量的树，并且可离线实现。

Description

生成生成树的方法

技术领域

本发明涉及在网络中生成生成树的方法。

背景技术

诸如以太网网络等用于交换信息的网络包括通过链路互连的节点。在网络中一对端节点之间建立的连接会由于节点或链路故障而突然中断。已开发出了检测故障条件的一些方法。

“生成树协议”[1](STP)是用于以太网的第一个弹性方法，主要开发用于避免环路以避免广播消息循环。STP也通过激活未使用的链路而提供路径冗余。在出现链路故障时，以前的备份链路被激活以便到达被分隔的网络段。生成树的结构开始是在桥之间选择根桥。其余的桥计算到根桥的最短距离。提供到根桥的此最短路径的端口为根端口。桥在桥协议数据单元(BPDU)消息中交换生成树控制信息。在线使用时STP的主要缺陷是其收敛速度慢。故障转移时间大约为10秒，一般为30到60秒不等，并且取决于网络装置的数量。STP的又一缺陷是它难以控制。也就是说，可配置第一个树，但不可预测在故障后形成的树。

“快速生成树协议”[2](RSTP)是以太网弹性协议发展的下一步。它保持了与STP中相同的术语和大部分参数。与STP最重要的不同是端口的可能操作状态数量从5种状态减少为3种状态。此外，在端口中的消息处理不取决于其在生成树中的作用。BPDU保持为相同的格式，只引入了少量的变化，即，使用标志字节的所有比特。STP的缺陷之一是在BPDU到达其根端口时，非根桥只生成BPDU。与此不同，在RSTP中，每个桥在例如每2秒的预定时间间隔生成所谓的问候BPDUA。此外，更快的老化应用于协议信息，即，如果在三个连续问候期中未收到问候，则它立即老化。因此，BPDU用作桥之间的持续可用机制，这使恢复可更快实现。RSTP的收敛时间减少大约几秒，因此，仍不适用于电信级网络。

环状拓朴在光学网络中扮演重要作用时，为此拓朴开发了特殊的环路保护和弹性方案。它称为“以太网自动保护交换”(EAPS)[3]。在此方案中，在环中有一个所谓的主节点，它通过阻塞其端口之一而阻塞在一个方向上转发的数据。此端口只侦听在另一端口发出的定期消息，消息的及时到达表示正常操作。这些消息在出现故障时未到达，因此，主节点激活以前阻塞的端口。故障也可借助于特殊消息由任何节点指示。在修复后，主节点再次阻塞该端口。可实现的恢复时间大约为50毫秒。但是，对于环形拓朴没有更好的体系结构，在更复杂的拓朴中，无法应用此方案。

随着虚拟LMT(VLAN)[4]使用的扩展，由于相同的STP实例不满足所有VLAN，并且每个VLAN的生成树不易处理，因此，现有标准明显不充分。因此，IEEE开发了“多生成树协议(MSTP)”[5]。MSTP合并了RSTP和VLAN的最佳特性。MSTP引入的主要改进是几个VLAN可分配到单个生成树实例。这些实例不止一个时相互独立。生成树实例的最大数量取决于以太网交换机；它甚至可达到一千个实例。因此，MSTP减少了支持大量VLAN所需的生成树实例数量。此外，通过提供多个路径，借助于MSTP也可实现负载平衡。除此之外，也可能将以太网网络分成多个区，这通过减少生成树的大小而使得大型网络更易于处理。因此，MSTP伸缩性好于其祖先，但其收敛并不好于RSTP的收敛。

MSTP的属性引发了基于MSTP的容错方案的想法。此想法在Viking系统[6]中也适用，在该系统中，构建了生成树，使得对于不共享中间链路或节点的两个不同生成树中的任何端节点对有至少两个交换路径。每个生成树实例对应于一个特定的VLAN，因此，VLAN的显式选择产生了生成树的隐式选择。发生故障时，端节点要更改VLAN以便选择备用路径。故障检测是基于网络交换机提供的支持。网络中的每个交换机配置为在发生故障时向中央管理器发送SNMP陷阱。中央管理器是中央服务器，负责网络的总体操作，包括故障处理。在故障通知后，中央服务器找出受影响的VLAN，并通知端节点为使用备份VLAN而必需的重新配置。每个端节点要运行客户端模块，该模块负责在操作期间的VLAN选择。客户端也调用负载测量，测量结果定期发送到中央管理器。因此，存在使用结构化生成树的中央协调业务管理。此系统提供的故障转移时间略少于一秒。

在文献中广泛研究了生成树的计算。计算方法一般开发用于加权图，图中权重表示链路成本。参考[7]中很好地概述了这些方法。有方法可在定向和非定向图中查找具有最小累积权重的k链路分离生成树。仅在需要备份整个树时才需要使用链路分离生成树。如果只是为部分网络进行备份，则需要的树不必链路分离。参考[7]中描述了查找k个最小生成树的分布式方法。参考[8]的作者提出了一种方法，可查找不必分离但具有最小总成本的k个生成树，因而要为链路的多用被处罚。

参考[6]、[7]和[8]中描述的每种现有方法有相同的缺点，即，由于它们构建链路分离树或最小拥塞树，因此，它们产生了大量的生成树。由于有限数量的VLAN ID和在现有设备中可处理的有限数量的生成树实例，因此，难以管理大量的生成树。大量的生成树也将使网络管理更困难。

发明内容

本发明涉及上述问题，即通过现有方法，在网络中需要大量生成树以便在出现任何单一故障时保护网络。所述网络可基于生成树提供分组转发和弹性。

又一问题是在生成生成树时要将网络故障类型考虑在内。

解决该问题的方法是首先观察：对于每个网络元件，在该特定网络元件出故障时至少要有一个生成树不会分成两个或更多个部分。要在出现链路故障时保护网络，这意味着对于每条链路，要有至少一个生成树不包括该特定链路。对于节点故障，这意味着对于传输业务的每个节点，要有至少一个生成树，树中该特定节点是端节点，所谓的叶，即，是经单条链路连接到生成树的节点。因此，该解决方案包括生成用于处理链路故障的生成树的第一阶段。如果也要处理节点故障，则在第二阶段研究是否要生成其它生成树。

稍微更详细而言，解决该问题的方法是：在第一阶段，生成生成树以便在出现链路故障时保护网络。需要时，在第二阶段也在出现节点故障时保护网络，这可能要求增加至少一个生成树。第一个阶段包括连续连接第一生成树中的节点，直至网络中的所有节点连接到树中。在此第一生成树中，如果可能，从每个节点至少保留一条链路未连接。又一生成树会生成，包括未连接的链路。因此，至少两个生成树会生成以在出现任何单链路故障时保护网络。随后检查对于每条链路有至少一个生成树未包括该特定链路。如果该要求未满足，则在第一阶段生成至少又一生成树，该树不包括所讨论的链路。在第二阶段，检查生成业务的任何节点是否满足它在至少一个树中是端节点，叶的要求。如果未满足，仍会生成至少一个生成树以满足该要求。

本发明的目的是在网络中只生成较小数量的生成树，这些树可用于例如在出现任何单一故障时保护网络。

另一目的是首先生成生成树，这使得在出现任何单链路故障时保护网络成为可能。

又一目的是还生成生成树，以便在出现任何单节点故障时保护网络。

再一目的是在离线状态下，即在网络启动前生成生成树。

优点是提出的方法为任何网络拓朴生成小数量的生成树。

另一优点是可选择是否要生成用于只处理链路故障的生成树或是否要增加还处理节点故障的生成树。

又一优点是生成树可在网络启动前在网络中离线配置。

再一优点是方法易于实现。

现在将结合附图，通过优选实施例描述本发明。

附图说明

图1示出关于网络的视图；

图2示出关于具有一组生成树的网络的视图；

图3示出关于具有另外一组生成树的图2中网络的视图；

图4示出节点选择的流程图；

图5示出链路选择的流程图；

图6-11示出关于网络的视图和第一生成树的生成；

图12-14示出关于网络的视图和第二生成树的生成；

图15示出关于网络的视图和第三生成树的生成；

图16示出生成用于处理节点故障的生成树的流程图；

图17-23示出关于网络的视图和生成用于处理节点故障的生成树；

图24示出关于生成树的必需数量的三维图；

图25示出关于用于处理链路故障的生成树数量的三维图；以及

图26示出关于用于处理节点故障的生成树数量的三维图。

具体实施方式

提出了一种用于在网络中配置生成树的方法，该方法可在例如由可在市场上得到的标准以太网交换机组成的以太网段中应用。提供弹性所需的额外功能可在以太网网络的边缘节点中实现，这些节点一般为IP路由器。图1作为示例示出网络NW1，其中可应用提出的方法。该网络具有边缘节点A1、B1、C1和D1，并且也具有交换节点SW1、SW2、SW3和SW4，所有节点通过链路L1互连。在通过提出的方法配置生成树S1、S2和S3后，可在边缘节点中调用故障检测和业务重定向，它们是所谓的附加功能。

可生成多个生成树以提供保护交换。在网络中配置静态生成树，使得在任何网络元件出现单一故障时保留有至少一个完整的树。例如，VLAN分配到每个生成树，因此，可借助于边缘路由器中的VLANID而控制转发到树的业务。也就是说，在此示例中，保护交换成了此网络中的VLAN交换。在图1所示示例网络NW1中，需要所有三个生成树S1、S2和S3来处理任何单一故障。在出现故障时，每个边缘节点A1、B1、C1和D1需要停止向受影响的树转发帧。

在网络中配置端口属性前，需要一种可生成在出现单一故障时提供保护的多个生成树的方法。由于有限数量的VLAN ID(4096)和以太网交换机中支持的生成树实例数量方面的实现相关的限制原因，树的数量应降到最低。树生成在为MSTP配置端口属性前调用，因此，提出的方法无需为速度进行优化。

在以太网网络中，VPN(虚拟个人网络)分隔可由VLAN解决。这种情况下，可为每个VLAN保留多个生成树。最坏的情况下，VPN的数量乘以生成树的数量可得到所需VLAN ID的总数量。发生此情况的原因是VPN的业务即使在故障时也需要分隔，并且每个VPN要求与网络中所需生成树数量一样多的VLAN。注意，一个生成树实例可分配到几个VLAN。

提出的生成静态生成树的新颖方法确定少量的生成树以解决故障处理。这些树要在网络配置前确定，因此，提出的方法离线运行。

根据要处理的两种类型的故障，生成树的构建分成两个阶段。第一阶段确定在出现单链路故障时提供保护所需的生成树。第二阶段确定在具有用于链路故障的生成树后出现节点故障时提供保护所需的附加生成树。用于处理链路故障的每个生成树连接网络的所有节点。

该方法为网络生成生成树，并且至少一个生成树在任何单网络元件出故障的情况下保持完整。为此，可针对两种类型的故障用以下方式阐明对生成树的要求：

-链路故障：对于每条链路，要有至少一个不包括该特定链路的生成树。

-节点故障：对于传输业务的每个节点，要有至少一个生成树，树中该特定节点是叶，即，该节点经单条链路连接到其生成树。

如果这些要求得以满足，则对于每个故障，至少有不受故障影响的一个生成树。因此，业务可在此树上发送。图2示出上面定义的要求。图形示出具有边缘节点A、B、C、D、E、F和G及交换节点H、I和K的网络NW2。边缘节点A-G具有如通过从节点A的连接EC1例示的网络外的外部连接。节点通过链路L2互连，并且三个生成树ST1、ST2和ST3在网络中设立。每个生成树连接所有节点。生成树ST1和ST2是在出现链路故障时保护网络NW2的树。正如可看到的一样，网络NW2中无一链路L2包括在生成树ST1和ST2两者中，因此，第一要求得以满足。但是，边缘节点B不是任一树的叶，即，对节点故障的约束未满足。如果节点B出故障，则节点A无法经生成树ST1或ST2这两者中的任一个与节点C和节点D通信。因此，需要第三生成树，树中节点B是叶，这是图2中的生成树ST3。因此，示例网络NW2也在出现节点故障时受到保护。

图3示出具有备用组生成树ST4和ST5的网络NW2。这些生成树满足出现链路故障时提供保护的上述要求。生成树ST4和ST5不同于生成树ST1和ST2。图3演示了不同的生成树组可用于在出现故障时保护相同的网络。

下面更详细地描述了两个提出的方法阶段。用于链路故障的第一阶段要先调用，之后，需要时调用用于节点故障的第二阶段。该方法满足了具有少量生成树的要求。应注意的是，至少对于较简单的网络，例如，网络NW2，可使用如上所述和示范的提出方法，而无需探究如下所述的方法所有细节。

链路故障(第一阶段)

为了在出现链路故障时保护网络，其拓朴必须是双连式，并且至少需要两个生成树。双连式意味着切断任何链路，网络将不会分成两部分而是保持连接。如果有足够的链路建立两个链路分离树，则两个树就足够了。但是，此条件一般在实际网络拓朴情况下不满足，因此，一般需要多于两个树。提出的方法尝试通过两个树满足要求，并仅在需要时应用另外的树。第一个树的构建非常重要，因为它确定构建更后面树的可能性。因此，第一个树对满足要求所需的树数量影响很大。在实施例中，该方法先尝试构建星形树，以具有最高度的节点开始，并随后总是连接具有最高度的邻居。在第一个树构建期间，该方法尝试为第二个树保留从每个节点的至少一条链路，这很重要。如果不可能保留一条链路，则两个树就不够了。第二个树则是基于对第一个树的补充，并在需要时随后由其它树补充。

图5示出了确定用于链路故障的生成树的第一方法阶段流程图。构建中的生成树表示为T_i，其中，i表示树的数量。计数器c分配到网络中的每条链路，显示其中包括该链路的生成树数量。因此，由于对于每条链路，c必须小于的i，因此，可阐明用于处理链路故障的上述要求。下面的属性分配到每个节点：

叶：显示是否有其中节点为叶的树，即，它经任何树中的单条链路连接到网络的其余部分；

度：节点度，即，连接到节点的物理链路数量，表示为De；

使用率：源于所有树中节点的链路总数量与节点度的比率，表示为Us；

MAC：属于节点的最小MAC地址。

在方法操作期间，节点要基于上述属性选择若干次。图4流程图中示出了选择节点的子方法，该子方法将最先描述。随后，将描述图5的流程图。

子方法从步骤40开始，并且在步骤41中，选择具有最高度的节点或第一组节点G。在步骤42中，确定找到的节点是否唯一。如果在备选Y1中为是，则方法在步骤46中结束。如果节点不唯一，备选N1，则在步骤43中，选择其中具有最小使用率的一个节点或第二组节点G2。在步骤44中，确定找到的节点现在是否唯一。如果在备选Y2中为是，则方法在步骤46中结束。如果在备选N2中为否，则选择其中具有最小MAC地址的节点。此选择是明确的，并且子方法必定在步骤46中结束。

在图5中，第一方法阶段从步骤500开始，在该步骤中，对于所有链路，树值的数量i＝0，并且计数器c＝0。在下一步骤501中，值i增大1，并且对应树T_i的构建开始。在步骤502中，其计数器c＜i-1的链路添加到构建中的树。如果此步骤中i＝1(第一个树)，则由于它定义为始终c≥0，因此，c＜i-1无意义。该步骤随后被忽略。在步骤503中，根据图4的子方法选择中央节点。在步骤504中，检查从选定节点是否有任何链路，对于该链路，链路计数器标准c＜i-1有效。如果满足该标准，备选Y3，则在步骤505中添加下一链路，并且在步骤504再次检查该链路标准。如果它是第一个树，i＝1，则在步骤505中，至少一个链路会始终为下一个树保留。如果在步骤504中，标准c＜i-1无效，则根据备选N3，在步骤506中检查树是否完整。此标准对于第一个树为c＜1。如果不是，在备选N4中，则在步骤507中检查中央部分树是否有叶节点具有孤立邻居，该邻居具有分配到树T_i的链路。随后调用图4所示的备选Y5和节点选择过程，并且根据步骤504检查属于该节点的链路。否则，备选N5有效，并且检查该部分树的叶是否有孤立邻居。在步骤510中，选择备选Y6和这些叶节点之一，并且在步骤506中检查连接可能性。否则，备选N6有效，并且为部分树的非叶节点执行相同的检查。在这些检查期间，存储了最后检查的节点。如果算法在步骤507-513中不断发现并检查相同的节点，则考虑到链路标准，不可能包括到该部分生成树的新链路。因此，在步骤516中选择节点，并且在步骤505中包括新链路，因而对单个步骤忽略了步骤504。如果在步骤506中树是完整的，备选Y4，则在步骤517检查是否计数器c＝i。如果是，则根据备选Y10，新树必须从步骤501开始构建。另一方面，如果c＜i，则根据备选N10，第一方法阶段在步骤518中结束。

下面进一步论述如上所述的方法操作。如图所示，首先根据图4所示的子方法，为生成树计算选择所谓的中央节点。此中央节点只是用于所有树的树构建起始点，但在其它方面中央节点与其它节点无区别。在步骤505中有一个仅在第一个树构建期间考虑在内的特殊规则，即，方法尝试为第二个树保留从每个节点的一条链路。如果这不可能，则两个树不够。在有其它树的情况下，先将具有比已经准备好的树数量(i-1)更小计数器值c的所有链路添加到新树。如果选择新树的节点(中央节点是第一个节点)，则朝向孤立节点的链路在满足链路计数器标准c＜i-1时被添加到实际上处于构建中的新树。随后选择新树的另一个叶或节点，并且尝试连接其孤立邻居。如果坚持该链路计数器标准时无法将新链路添加到树，则忽略此标准来添加链路。另一个树则必须满足用于链路故障的上述要求。新链路会被添加，直至树变得完整，并且新树被构建，直至用于链路故障的要求得以满足。

下面将结合图6-15描述在4×4节点网格网络NW3中生成旨在用于处理链路故障的生成树的示例。节点和链路选择遵循图4和图5。

图6所示的网络NW3具有通过链路L3互连的16个节点N3。节点具有编号1-16，表示相应节点的MAC地址。这些MAC地址也用作在下面说明中识别节点的参考。

树构建从图5步骤500开始。注意，开始时没有树，i＝0，并且对于所有链路，链路计数器c＝0。在步骤501中，树的数量设为i＝1，并且在步骤502中，由于不存在c＜0，因此，不进行任何操作。在步骤503中，如图7所示选择中央节点，选择根据图4执行。在步骤41中，选择具有最高4度的节点2、5、6和11，在步骤42中，注意到它们全部具有相同的度并且不是唯一的，备选N1，并且在步骤43中，还注意到由于还没有带链路的任何树，因此，全部具有使用率Us＝0。因此，根据步骤44的备选N2，它们在此方面也均不唯一，但在步骤45中，选择具有最低MAC地址的节点2作为中央节点。在步骤504中，要如上所述忽略要求c＜0，但有四条链路到节点11、14、8和5，在步骤505中，这些链路可从中央节点2添加到第一个树T₁。根据图4，选择到具有4度的节点5和11的第一链路，随后选择到节点8的链路，节点8具有与节点14相同的3度和使用率Us＝0，但具有最低MAC地址8。根据在步骤505中用于第一个树的规则i＝1，不添加到节点14的链路。由于第一个树不完整，在步骤506中备选N4，因此，第一个树T₁的构建继续进行。根据步骤509，要选择节点8、5和11之一，并且由于它是第一个树，因此忽略了要求c＜0。根据图4，步骤45，节点5由于具有与节点11相同的4度和相同的使用率Us＝1/4但具有最小MAC地址，因此，选择了节点5。回到步骤504，根据备选Y3，要添加从节点5的又一链路。在图8中，根据图4步骤41和步骤42备选的Y1，此链路选择为到具有最高4度的节点6。步骤504有关的过程重复进行，并且在步骤45中，由于节点1具有与节点12相同的度和使用但具有更低MAC，因此，添加到节点1的链路。根据步骤505，不添加到节点12的链路。在步骤506中，树是不完整的，备选N4。根据步骤509(以及忽略c＜0)，现在要选择节点8、1、6和11之一。步骤41和45选择了具有最高度和最低MAC的节点6。图8还示出根据步骤504和步骤505，连续选择了从节点6到节点4和9的链路。根据步骤505，不包括到节点11的链路。第一个树T₁是不完整的，步骤506，备选N4，并且在图9中，根据步骤509，要选择节点8、1、4、9和11之一。根据步骤41和42，备选Y1，选择节点11。从节点11，根据第一步骤506并随后根据步骤45，选择到节点0和15的链路。此外，对于i＝1，步骤505得以满足。根据步骤506，备选N4和步骤509，要选择节点0、15、8、1、4和9之一。根据步骤45，选择节点0。随后，根据步骤504和步骤41、42，备选Y1，选择到节点13的链路。此选择也在图9中示出。现在转到图10。与节点13通过其链路连接到第一个树的方式相同，节点7从节点1连接，并且随后节点3从节点4连接，从每个节点保持一条链路未连接。如图11所示，节点12经其链路连接到节点8，节点14连接到节点15，并且节点10连接到节点14。最后三个节点按所述顺序并且以与节点13相同的方式连接。在该过程的下一步骤中，可看到，根据步骤506，备选Y4，第一个树T₁已经准备好。在步骤517中，指出了对于所有链路c＝i，但在步骤505中保留的链路除外。这意味着在步骤517中的备选Y10有效，并且该过程中的下一测量是步骤510，在该步骤中，树数量参数增大为i＝2。

图12-14示出了第二个树T₂的构建。在图11中，根据步骤502，具有计数器c＜2-1，即c＝0的所有链路被添加到第二个树，并且在图12中示出。根据步骤503，选择中央节点，这根据图4执行：节点2、5、6和11全部具有4度和使用率3/4。因此，根据步骤45，选择节点2为中央节点。在步骤504中，由于从节点2的所有链路具有计数器值c＝2-1，因此，备选N3有效，并且树未准备好，因而在步骤506中，备选N4有效。根据步骤516和507，如图13所示，选择到节点5的链路。此图也示出添加链路的过程步骤504、506和516在重复进行，并且先是节点15与14之间的链路，随后是节点7与1之间的链路被添加到第二个树T₂。在图14中，示出了根据步骤516、507、504、505和511，连续添加在节点4与3、节点0与11及节点2与8之间的链路。再次应用步骤506时，由于第二个树T₂是完整的，因此，备选Y4有效。在步骤517中，发现了至少一条链路具有计数器值c＝2，并且备选Y10有效。仍必须构建一个树以便可处理链路故障。

第三个树的构建结合图15描述。构建在步骤501开始，并且树号设为i＝3。至此，对于不同链路，链路计数器c从图14显示。根据步骤502，具有计数器c＜3-1＝2，即c＝1的链路要添加到第三个树T₃。根据步骤503，象以前一样选择节点2为中央节点，并且根据图4的流程图添加链路。因此，添加了按以下顺序连接节点的那些链路：节点11、6、5、1、12、14、4、10、8、7、9、0、13、15和3。随后，在步骤506中检查第三个树是否完整，由于它是完整的，因此，备选Y4有效。在步骤517，由于对于所有链路，链路计数器C＜3，因此，备选N10有效，并且用于处理链路故障的树构建已经准备好。

确定处理单链路故障所需的生成树数量是一个困难的问题。但是，对于网络中建立给定数量生成树所需的平均度，可给出粗略的估计。假设n表示网络中的节点数量，并且k表示所需生成树的数量。如果要从链路分离树建立网络，则必需的链路数量为：

e＝k-(n-1)。

但是，要满足我们假设的要求，更少的树便已足够。如果所有链路包括在k-1个树中，从生成树角度而言，链路可得到最佳利用。因此，必需的链路数量减少为：

e = \frac{k}{k - 1} (n - 1) .

因此，由D表示的最小平均度可按下式计算：

D = \frac{2 \cdot e}{n} = \frac{2 \cdot k \cdot (n - 1)}{(k - 1) \cdot n} - - - (1)

如果网络中的平均度为D，则约束无法借助于k个树一定得到满足。此平均度只是一个必要条件，也就是说，D只示出阈值，低于该阈值无法在n个节点的网络中借助于k个树满足要求。D的最小值自然为2，因此，每个节点要至少由网络中两条链路连接以便确保任何类型的弹性。例如，如果有人要在500个节点的网络中使用2个生成树，则必需的平均节点度至少为4。

给定数量节点和链路下必需树的数量下限随后可基于(1)以下方式计算得出：

k = \frac{e}{e - n + 1} . - - - (2)

这是用于处理链路故障的必需生成树数量的理论下限。一般情况下，由于所有链路一般只可包括在小于k-1个树，因此需要更多树，这是在上述计算期间我们的假设。

节点故障(第二阶段)

一种简单的方法被提出用于确定处理节点故障所需的生成树，图16示出了其流程图。该方法的此部分在图5所示用于处理链路故障的部分之后调用。

在图16中，方法从步骤160开始。在步骤161中，研究是否有任何节点不是到现在为止构建的任何一个树中的叶。在备选Y11中，在步骤162中，树的数量增大1，即，i:＝i+1。在此步骤中，当前的叶节点也添加到新生成树。在步骤163中，选择要添加到新树的非叶节点。如果可能，此非叶节点经单条链路连接到更早的叶节点。在步骤164中，研究是否有任何未连接的非叶节点。在备选Y12中，步骤164重复进行，并且在备选N12中，在步骤165研究新树是否完整。在备选Y13中，重复进行从步骤161开始的过程。在备选N13中，孤立的节点连接到当前的生成树。如果可能，这些节点不经仅在当前的生成树T_i中是叶节点的节点来连接。在步骤161中，如果未发现其它非叶节点，则有备选N11。在该情况下，如果叶节点不从树中生成业务，则在步骤167中，叶节点及其单条链路被删除。此类节点的示例在图1中是内部交换节点SW1-SW4。方法在步骤168中结束。

下面将结合图17-23，描述构建用于在网格网络NW3中处理节点故障的节点故障生成树的示例。在此网络中链路故障由生成树T₁、T₂和T₃处理。从网络NW3的上述说明中可看到，节点0、1、2、5、11、12和14是非叶节点。如上所述，此类节点中的故障无法借助于生成树T₁、T₂和T₃处理。树构建从步骤161开始，备选Y11，指出存在非叶节点。在步骤162中，网络NW3除了非叶节点0、1、2、5、11、12和14外的所有节点连接到如图17所示的第四生成树T₄。在步骤163中，节点0连接到节点9，并且在步骤164中，发现节点1未连接。此节点在步骤163中连接到节点4。此过程会重复进行，直至如图18所示，每个非叶节点都连接到叶节点。随后，在步骤165中发现树是不完整的。在步骤166中，节点12连接到节点5和节点7。图19示出生成树T₄现在是完整的，步骤165，备选Y13，但在步骤161中发现节点5、11和12是非叶节点。因此，根据步骤162-165，构建生成树T₅。如图20所示，第一个叶节点添加到树T₅。随后如图21所示连接非叶节点。当生成树T₅完整时，无其它非叶节点，步骤161，备选N11。随后，如图22所示，从树T₄删除节点2，如图23所示从生成树T₅删除节点5和11，所有操作均根据步骤167执行。生成树T₄和T₅的构建现在已完成，并且网络NW3也可在出现节点故障时受到保护。

分隔用于处理链路和节点故障两种类型故障的生成树的计算有优点。如果不想在出现节点故障而只想在出现链路故障时保护网络，则根据第一方法阶段的输出建立生成树已足够。因此，在牺牲鲁棒性的情况下，所需VLAN的数量可减少。

生成树计算方法的验证

由于要解决的问题复杂，因此，上述方法是基于探试法。提出的方法阶段用于一般网络，并且它们在任何网络必需的生成树数量方面产生了最佳或近乎最佳的解决方案。下面将描述方法的数值验证，这显示了它们在生成树数量方面产生近乎最佳的解决方案。

首先，提出的方法可与[6]、[7]中提出的其它类似方案进行比较，这是迄今为止可找到的文献中存在的唯一类似的方案。[7]的作者在网格拓朴中评估了其方法。根据其方法，生成数的最小数量在由64个节点组成的8×8网格中为38。

上述本发明方法在任何网格大小的情况下产生了用于处理链路故障的3个生成树。无论网格大小如何，该方法最多增加两个生成树以避免节点故障的影响。因此，本发明只需要5个生成树便可得到任何大小的弹性网格网络。例如，方法在50×50网格中运行，其中，5个树也足以处理链路和节点故障。该方法在一些情况下为网格网络产生四个生成树。结合图6-15和图17、18，描述了用于4×4网格网络NW3的方法的输出。

网格是一种在节点之间具有良好连接性的网络拓朴，这是因为除其度仅为2的在边角的4个节点和其度仅为3的翼节点外，所有节点的度为4。平均节点度因而接近4，但决不会达到4。因此，根据等式(1)，2个生成树不够，而是需要3个生成树以使任何大小的网格在出现链路故障时具有弹性。用于链路故障的第一方法阶段提供此理论最小值。通过添加另外两个生成树，该网格在出现节点故障时也具有弹性。

提出的方法也在随机网络上得到验证，这些网络的拓朴在给定节点数量和平均节点度上随机生成。通过若干节点和平均度设置，对该方法进行了评估，每个设置进行了50次模拟。图24、图25和图26示出必需的生成树数量。这些图均示出三维图，具有在第一轴上的节点平均度ADN和在第二轴的节点数量NoN。结果是指示生成树数量NST的表面。图24示出根据必要条件(等式(2))计算得出的用于链路故障的理论下限。图25为链路故障以及图26为节点故障示出了本方法计算的50个结果的平均值。生成树的数量取决于网络大小和网络中的平均节点度。

在图24-26中可看到，用于链路故障的方法产生了接近于理论最小值的数量。例如，在网络由平均度为3.5的30个节点、图24中的点P1组成的情况下，用于处理链路故障的理论最小值为NST＝2.85。用于链路故障的本发明第一方法阶段在图25的点P2中提供值NST＝3.08，并且用于节点故障的第二方法在图26的点P3中提供值NST＝4.92。这示出本方法提供了接近最佳的解决方案。用于处理节点故障的附加生成树数量不会使生成树的总数量显著增加，因此，它也接近于最佳。

上述内容参考了以下参考文献：

[1]IEEE 802.Id，Standard for local and metropolitan area networks-Media access control(MAC)bridges.

[2]IEEE 802.Iw，Standard for local and metropolitan area networks-Rapid reconfiguration of spanning tree.

[3]“以太网自动保护交换”(E.Shah，“Ethernet automatic protectionSwitching”，RFC3619，October 2003)。

[4]IEEE 802.Iq，Standard for local and metropolitan area networks-Virtual bridged local area networks.

[5]IEEE 802.1s，Standard for local and metropolitan area networks-Multiple spanning trees.

[6]“Viking：用于城域和集群网的多生成树以太网体系结构”(S.Sharama，K.Gopalan，S.Nanda and T.Chiueh，“Viking：Amultispanning-tree Ethernet architecture for metropolitan area and clusternetworks”，INFOCOM 2004)。

[7]“使用交错生成树的层叠网构建”(A.Young et al.，“Overlaymesh construction using interleaved spanning trees”，INFOCOM 2004，March 2004)。

[8]“查找最小拥塞生成树”(R.F.F.Werneck，J.C.Setubal and A.F.Conceicao，“Finding minimum congestion spanning trees”，ACM Journalof Experimental Methods，2000)。

Claims

1.一种在网络中生成生成树的方法，所述网络(NW2，NW3)包括通过链路(L2；L3)互连的节点(A-K；N3)，所述方法包括：

-生成(501，503-506，517)连接所有网络节点(A-K；0-15)的第一生成树(ST1，T₁)，其中，至少一条链路被保留从所述节点的预定部分未连接；

-生成(501-516)连接所有网络节点并且包括未被连接的链路的第二生成树(ST2；T₂)；以及

-对每条链路检查(517)所述链路是否未包括在所述树之一中。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述节点的所述预定部分包括所有网络节点(A-K，0-15)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述节点的所述预定部分包括虚拟个人网络(VPN)。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，包括：

a)确定(517，Y10)包括在所有生成树中的至少一条所述链路；

b)生成(501)另一生成树(T₃)，该生成树不包括在步骤a)中确定的至少一条所述链路；以及

c)重复确定(517)步骤a)和生成(501)步骤b)，直至所述网络(NW2，NW3)的所有链路(L2，L3)不包括在至少一个所生成的生成树(ST1-ST3，T₁，T₂，T₃)中。

5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，所述生成树(T₁，T₂，T₃)的所述生成包括；

a)选择(503)所述节点之一(2)作为中央节点；

b)选择(505，41-45)邻节点(5，11，8)并将它们连接到所述中央节点(2)；

c)选择(504-516)其它节点(1，6，4，...10)并将它们连接到较早连接的节点；以及

d)重复所述步骤c)，直至所有网络节点(0-15)被连接(506，Y4)。

6.如权利要求5所述的方法，其中，一个相同的节点(2)被选择为所述树(T₁，T₂，T₃)的所述中央节点。

7.如权利要求5或6所述的方法，所述节点选择包括：

a)将节点度(De)定义为连接到所述节点的物理链路的数量；

b)选择(41)在所有节点的度中具有最高值的度的第一组(G)节点；

c)在所述第一组只有一个成员的情况下，选择(42)所述第一组的所述唯一成员；

d)将节点使用值(Us)定义为源于所有树中的所述节点的链路总数和所述节点的所述度(De)的比率；

e)在步骤b)的所述第一组(G)具有多于一个成员时，选择(43)第二组(G2)作为所述第一组(G)的具有最小使用值(Us)的成员；

f)在所述第二组(G2)只有一个成员时，选择(44)此组的唯一成员；以及

g)在所述第二组(G2)具有多于一个成员时，选择(45)所述第二组(G2)的具有最小MAC地址的成员。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，包括：

a)将叶定义为经任何一个所述生成树(T₁、T₂、T₃)中的单条链路(L3)连接到所述网络的其余部分的节点；

b)确定(161)是否存在不是叶的任何一个所述节点(0-15)；

c)在发现非叶节点(0，1，2，5，11，12，14)时，生成(162-164)节点故障生成树(T₄，T₅)；以及

d)经单条链路将所述非叶节点连接(163)到所述节点故障生成树(T₄，T₅)。

9.如权利要求8所述的方法，包括：

a)确定(161)是否存在另一非叶节点；以及

b)将所述另一非叶节点连接(163，166)到所述节点故障生成树(T₄，T₅)。

10.如权利要求8或9所述的方法，包括从所述生成树(T₄，T₅)中删除(167)叶节点(2，5，11)，所述节点不生成业务。