网络环路问题解析及优化建议

■ 西安 康剑 卢荣平

编者按：当前，铁路行业局域网规模越来越大，由网络环路引起的网络故障通常隐蔽性高、不易查找，对铁路网络影响重大。本文通过典型案列分享，对网络环路产生的原因和现象进行分析，并提出优化建议。

随着信息化在铁路行业的不断发展和深入应用，网络规模不断扩大，用户不断增加，如何构建一个安全、稳定、便于管理的网络，成为网络管理人员的首要任务。

以笔者单位为例，单位网络现已覆盖50 余个站段，终端设备已经超过3 万台。在大型的网络管理过程中，网络环路问题不可避免且成为影响网络稳定的最主要因素，一旦发生将大面积网络故障，影响后果严重。

网络环路的分类和危害

在局域网中，网络环路一般分为二层环路和三层环路。三层环路通常表述为路由环路，多发生于路由协议配置不当。

图1 施工规划示意图

图2 施工实际接线示意图

在日常维护中，我们面对的网络环路故障多为交换机的二层环路。二层环路主要是由于冗余链路造成的，交换机具有MAC 地址学习功能，内部建立并自动更新MAC 地址表。在冗余链路的网络环路故障中，因为广播风暴和MAC 地址表失效，使得局域网阻塞并中断。在大规模的局域网环境中，如不及时处理，将影响到核心层交换机，造成网络瘫痪。

典型故障案例

1.华为桌面云施工造成网络环路案例

故障现象：笔者单位华为桌面云施工过程中，误将两台以太网交换机形成的一个环路接入网络，引发广播风暴，造成大面积网络瘫痪。

本次施工接入部分网络设备，规划中划分了VLAN，所以接入网络不会产生环网。如图1 所示。

在施工过程中，技术人员未做任何配置，就将网络设备接入网络，导致网络环路。如图2 所示。

2.因误插网线造成网络环路影响核心网络案例

故障现象：笔者单位管辖的多个单位反映，访问集团公司网络出现不定时中断现象，并逐步扩散，造成网络大面积中断。间隔一定周期后网络逐步恢复，网络故障反复发生。

本次故障因核心网下联单位中存在两个环路，造成网络风暴，影响到核心交换机，造成核心网络中断。如图3 所示。

网络环路故障分析

1.未正确配置VLAN，造成设备环路

在对华为桌面云施工过程中，按规划网络应为两个VLAN，但施工过程中未配置数据就将交换机接入网络。华为刀箱内置的交换网卡实际为一台交换机，连接后形成环路。交换机未做配置时，所有端口默认为VLAN1，本次故障的网络环路导致广播风暴，会在包含VLAN1 的Trunk链路上进行传播，而不会在其他VLAN 的链路上进行传播。最终造成包含VLAN1 的Trunk 链路的上联交换机资源耗尽，大面积网络瘫痪。

2.网络环路生成大量TCN报文，影响核心网络

因误插网线造成网络环路影响核心网络案例的原因分析如下。

图3 公司及下联单位网络拓扑示意图

（1）检查核心交换机。出现网络故障时，检查核心交换机N7K，使用“show ip arp”命令显示MAC 地址incomplete 状态，这种现象说明N7K 的MAC 地址被清空，N7K 处于重新ARP 学习的过程，因此造成网络临时丢包。

（2）MAC 地址表刷新原因。因外部网络拓扑发生变化，N7K 收到TCN（Topology Change）的信号所造成。进一步检查发现，核心交换机N7K 的25 口，TCN 变化量较大。日志如下：

（3）检查下联交换机。核心交换机的25 口下联设备为一台思科交换机，为集团周边单位提供综合信息网接入服务。查看此设备日志发现，一台终端的MAC 地址可以从41 和42 端口同时学习到，存在环路。日志如下：

（4）断开下联交换机41端口环路网线后，网络恢复。

本次故障原因为下联单位网络环路后，产生并发送大量TCN 报文至核心交换机，此报文大量累积会导致核心交换机MAC 地址表异常刷新，而影响核心网络正常工作。

优化建议

1.增加接入网络的门槛。对核心接入设备上未划分VLAN 的端口，进行shut down 操作，避免有人员误插接口带入有风险的网络，降低环路接入网络的几率。

2.优化网络配置。梳理网络结构，只允许需要通过的VLAN 进入Trunk 链路，禁止其他VLAN 通过，降低网络风暴的影响范围和影响强度。

3.解决二层网络规模太大问题。对二层网络通过多划分VLAN 的形式，将一个大的广播域划分成若干小的广播域，防止因网络环路故障造成网络大面积瘫痪。

4.优化既有网络结构。构建数据中心网络+办公网络的结构，分别以三层交换设备作为数据中心和办公网络的核心。整个数据中心网络利用IRF 的堆叠技术+链路聚合技术进行组网，构建出天然没有环路的全万兆高速二层网络。数据中心与办公网络之间采用三层路由互联的方式进行打通，可以有效杜绝二层的广播风暴、网络环路以及STP 抖动等对数据中心的影响。