浅谈GPS系统交换机更换导致拓扑变更故障分析及解决办法

陈博文

摘要：目前，越来越多的系统对时间的精准度有需求，有时间精准度需求的系统一般会接入时钟信号。因此结合国内通用现行通用标准以及湛江空管站的实际需求，在2007年安装了GPS系统，并将时钟信号接入有时间精度需求的系统。湛江GPS系统运行至今，存在部分设备老化的情况，例如GPS交换机。为解决老化问题，更换GPS交换机，并因此导致网络设备STP拓扑动荡和部分相关业务中断的现象。本文介绍了湛江空管站GPS系统的基本结构，网络拓扑和交换机生成树拓扑变更导致业务中断的故障处理过程和经验总结。

关键词：GPS系统，基本结构，网络拓扑，故障处理，经验总结

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）33-0230-02

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

湛江空管站GPS系统时钟通过天线引入有GPS信号和北斗时钟信号的多模信号，通过网络或串口的方式，为湛江航管楼各套设备提供准确的授时和时钟显示。因为GPS交换机自2005年安装，已运行13年，存在设备老化的情况，遂考虑将其更换。在更换GPS交换机的过程中，交换机与各套系统与之相连的交换机拓扑发生变更，部分端口被阻塞，导致有业务中断和兰波服务器和前置机自动切换的状况。以下将结合GPS系统结构、交换机拓扑和STP相关知识来分享本次STP拓扑变更的故障处理和经验总结。

1 GPS系统简介

GPS时钟系统由MTS620D时钟主机、DJ-501时钟、DJ-702时钟、DJ-703时钟、RS-422信号分配器、华为64口S5720交换机和天线等组成。MTS620D时钟主机为湛江空管站航管楼各套设备提供准确的授时和时钟显示。DJ-501时钟、DJ-702时钟、DJ-703时钟和部分需要接入串口时钟信号的系统，通过RS-422信号分配器引入时钟信号。需要网络时钟信号的系统，其系统核心交换机与GPS系统的华为64口S5720交换机相连。

2 系统组成及结构

1）MTS620D介绍

MTS620D同步时钟可以广泛应用于航空、电力、铁路等多个领域，它的主要特点是采用了完全模块化的结构设计、时间信息和管理信息的网络化和多时间源输人工作方式。特别适合要求多路时间源输入、多种多路时间信号输出、多台时钟设备同步互联以及有高可靠性要求的应用场合。

2）GPS交换机介绍

GPS交换机，原本使用思科24口2960型交换机，现使用华为48口S5720交换机。它与东进公司的MTS主钟配合使用，可满足多个设备的较时需求。GPS交换机上端口业务配置如下表所示：

各套系统的交换机或防火墙与GPS交换机相连，在GPS交换机上为各套系统设置了相应的三层VLAN接口的IP地址，该地址作为各套系统的网关。各套系统也通过网关地址与MTS620D主钟通信。

GPS交换机与各套系统交换机或防火墙的拓扑图如图1所示：

FIPS B网交换机和Aerotrac A网交换机分别与GPS交换机相连，FIPSA网交换机和B网交换机级联，此外FIPSA网交换机与Aerotrac系统A网交换机相连。另外，兰波系统交换机1与GPS交换机相连，兰波系统交换机l与兰波系统交换机2级联。

3）CPS主钟和CPS交换机网络连通性监控

在Aerotrac系统中对系统网络连通型进行监控的SMC主机上，对GPS交换机和GPS主钟的网络通断进行监控。正常情况下，在SMC主机上GPS交换机和GPS主钟的状态为绿色，网络异常时为红色。

3 案例分析

在将GPS旧交换机华为Quidway S3900更换为Huawei5720交换机后，Aerotrac系统CMS上GPS和GPS交换机上每隔一段时间变红，又过了约30秒后恢复为绿色状态（正常状态）。更换交换机期间，兰波转报系统交换机瞬断，造成兰波服务器由1号机自动切换成2号机主用，前置机切换由2468切换成1357主用。

4 相关知识点说明

（1）生成树作用

利用生成树算法、在以太网络中，创建一个以某台交换机的某个端口为根的生成树，自动地在逻辑上阻塞一个或多个冗余端口，避免环路。

（2）生成树类型

如表2所示。

5 故障原因

1）Aerotrac系统CMS上GPS和GPS交换机颜色变化的原因

在更换GPS交换机前，交换机网络生成树的根桥为GPS交换机。在更换GPS交换机之后，STP拓扑中FIPS交换机B因为优先级（ priority）相同和MAC地址更小而被选举为根桥。而新上线的GPS交换机华为S5720因为和FIPS交换机B因为优先级相同而MAC地址比FIPS交换机B大而未成为根桥。

FIPS交换机B上存在·部分接口接触不良，导致端口状态短时间为down，之后又恢复为UP的状态。每一次端口状态变成UP或down时，FIPS交换机B会向其他交换机发拓扑变更的BPDU报文。

FIPS系统交换机和Aerotrac系统交换机使用思科交换机，默认使用的是思科私有的PVST+协议，而GPS交换机默认使用的是RSTP协议。事实上，思科私有的PVST+协议发送的BPDU报文中部分字段，在运行公有RSTP协议的交换机上无法识别。

当Aerotrac B网交换机从GPS交换机收到关于FIPS交换机端口状态重新变成UP的BPDU时，认为自己与GPS交换机同时接入了一个新的交换机.而实质上这个新的交换机并不存在，Aerotrac B网交换机会重新选路，在原本与GPS交换机项链的链路和这个不存在的新的交换机链路间做更优路径的选择，然后将自己和GPS交换机相连的端口由forwarding的状态变成blocking的状态，当发现不存在更优路径时，将本交换机上与GPS相连的端口恢复为forwarding的状态，从blocking的状态到forwarding的状态需要经历了listening和learning的状态。交换机端口停留在listening的状态15秒，接受并转发BPDU，然后状态变成learning的状态并在该状态停留15秒，学习网络中的MAC地址表，最终该端口进入forwarding的状态。

在Aerotrac B网交换机上与GPS交换机相连的接口从blocking的状态变成forwarding状态的过程中，CMS主机无法ping通GPS交换机和GPS主机，检查GPS主机和GPS交换机网络正常。

2）兰波服务器和前置机切换的原因

兰波交換机1和兰波交换机2为H3C S5070交换机，交换机默认运行出厂设置的MSTP协议，且未设置实例（实例为多个VLAN的一个集合）和域名。连接兰波交换机的更GPS交换机运行RSTP协议。

当更换时GPS交换机，交换机网络拓扑发生改变，兰波交换机的根端口需要与上级交换机间通过TC+的BPDU报文（拓扑变更的BPDU报文）协商，同时两台兰波交换机上的指定端口（designed port）在收到TC+的BPDU报文时，由forwarding状态成为discarding状态，再便成为learning状态，最后成为f'or-warding状态。

交换机上接人兰波服务器和前置机的端口设置为指定端口，备用兰波服务器无法检测到主用服务器的状态而切换为主用服务器，备用前置机无法检测主用前置机的状态，也切换为主用前置机。

6 故障解决方法

1）设置GPS交换机的优先级设置为4096，GPS交换机成为整个交换机网络的网桥，CMS主机上监控GPS主机和GPS交换机的状态一直为绿色。

2）将兰波交换机A和兰波交换机B上所有接服务器和前置机的端口设置为边缘端口（edge port），当端口拓扑变化时，非边缘端口因为交换机间的BPDU协商而被block时，边缘端口不受影响。

7 结束语

当我们关注交换机时，我们的焦点常常在交换机中配置的VLAN、端口类型、三层交换机的路由配置，我们会忽略交换机中运行的生成树协议。我们一般会不加考虑地使用交换机出厂时的默认生成树的配置，从而忽视在整个交换机网络中不同厂商间私有和公有的生成树协议混用带来的影响。同时，我们平时缺少相关STP知识的积累，当交换机拓扑结构稳定时，我们不会关注到其中的隐患。当交换机需要被更换、拓扑发生变更时，常常因为交换机间重新协商，部分传输业务的端口成为block状态而导致业务的中断。本文介绍了GPS交换机网络拓扑结构、更换GPS交换机后产生的问题、问题产生的原因和解决办法。通过本文能够认识到交换机生成树协议的重要性，有一定基础知识的人也可以借鉴这些故障处理经验，在日常的工作中和排查故障过程中能有所帮助。

【通联编辑：梁书】