生成樹協(xié)議原理與配置

第9章生成樹協(xié)議原理與配置

2021/5/919.1冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖9-1交換機(jī)間冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)備和鏈路需要進(jìn)行備份2021/5/929.1冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然保證了當(dāng)設(shè)備或鏈路故障時(shí)提供備份設(shè)備或鏈路，從而不影響正常的通信。但是，這些冗余設(shè)備及鏈路構(gòu)成的環(huán)路將會(huì)引發(fā)很多問(wèn)題:廣播風(fēng)暴、單幀的多次遞交、橋接表的不穩(wěn)定

2021/5/939.1.1廣播風(fēng)暴圖9-2交換機(jī)間的循環(huán)鏈路2021/5/949.1.2單幀的多次遞交圖9-3單幀的多次遞交2021/5/959.1.3橋接表的不穩(wěn)定圖9-4橋接表的不穩(wěn)定性問(wèn)題2021/5/969.2生成樹協(xié)議概述9.2.1生成樹協(xié)議概述生成樹協(xié)議（SpanningTreeProtocol，STP）起源于DEC公司的“網(wǎng)橋到網(wǎng)橋”協(xié)議。后來(lái)，IEEE802委員會(huì)制定了生成樹協(xié)議的規(guī)范802.1d。是一個(gè)第2層的管理協(xié)議。其目標(biāo)是在物理環(huán)路上建立一個(gè)無(wú)環(huán)的邏輯鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2021/5/97圖9-5生成樹協(xié)議操作2021/5/989.2.2生成樹協(xié)議術(shù)語(yǔ)1．網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU（BridgeProtocolDataUnit）生成樹協(xié)議是通過(guò)在交換機(jī)之間周期發(fā)送BPDU來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的環(huán)路并阻塞有關(guān)端口來(lái)斷開(kāi)環(huán)路的。BPDU有兩種類型:配置BPDU和拓?fù)渥兏ǜ鍮PDU。每臺(tái)交換機(jī)每隔2秒鐘都要向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送配置BPDU報(bào)文。通過(guò)這些報(bào)文,每臺(tái)交換機(jī)可以判斷自己的位置和每個(gè)端口應(yīng)該工作的模式等。2021/5/999.2.2生成樹協(xié)議術(shù)語(yǔ)2021/5/9109.2.2生成樹協(xié)議術(shù)語(yǔ)2．網(wǎng)橋號(hào)（BridgeID）BID用來(lái)標(biāo)識(shí)每臺(tái)交換機(jī)。由兩部分組成。第一部分是網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)，占2字節(jié)。范圍是0～65535，默認(rèn)值是32768(從12.1（9)開(kāi)始，要疊加VLAN號(hào)，如VIAN1的生成樹協(xié)議實(shí)例BID的優(yōu)先級(jí)為32769，VLAN2的生成樹協(xié)議實(shí)例BID的優(yōu)先級(jí)為32770等）。第二部分是交換機(jī)MAC基地址，占6字節(jié)。2021/5/9119.2.2生成樹協(xié)議術(shù)語(yǔ)3．根網(wǎng)橋（Rootbridge）交換機(jī)通過(guò)彼此交換BPDU信息來(lái)選出根網(wǎng)橋。具有最小網(wǎng)橋號(hào)的交換機(jī)將成為根網(wǎng)橋。根網(wǎng)橋的所有端口都不會(huì)阻塞，即都處于轉(zhuǎn)發(fā)包的狀態(tài)4．指定網(wǎng)橋（Designatedbridge）交換機(jī)連接的每個(gè)網(wǎng)段要選出一個(gè)指定網(wǎng)橋，該指定網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋的累計(jì)路徑花費(fèi)最小。該指定網(wǎng)橋負(fù)責(zé)收發(fā)本網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包。2021/5/9129.2.2生成樹協(xié)議術(shù)語(yǔ)5．根端口（Rootport）整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)根網(wǎng)橋，其他網(wǎng)橋稱為非根網(wǎng)橋。在非根網(wǎng)橋上，需要選擇一個(gè)根端口。所謂根端口是指交換機(jī)上到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的端口。交換機(jī)通過(guò)此端口和根網(wǎng)橋通信。2021/5/9139.2.2生成樹協(xié)議術(shù)語(yǔ)6．指定端口（Designatedport）每個(gè)非根網(wǎng)橋還要為所連接的網(wǎng)段選出一個(gè)指定端口。一個(gè)網(wǎng)段的指定端口是指該網(wǎng)段到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的端口。該網(wǎng)段通過(guò)此端口向根網(wǎng)橋發(fā)送數(shù)據(jù)包。對(duì)于根網(wǎng)橋來(lái)說(shuō)，其每個(gè)端口都是指定端口。7．非指定端口（NonDesignatedport）除了根端口和指定端口外的其他端口稱為非指定端口。非指定端口將處于阻塞狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)任何用戶數(shù)據(jù)。2021/5/9149.2.3根網(wǎng)橋選舉每臺(tái)交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)都假設(shè)自己是根網(wǎng)橋，從自己的所有可用端口發(fā)送配置BPDU，并在自己的BPDU包中聲明這一點(diǎn)，同時(shí)該BPDU中還包含自己的網(wǎng)橋號(hào)。當(dāng)一臺(tái)交換機(jī)收到其他交換機(jī)發(fā)送來(lái)的BPDU時(shí)，會(huì)檢查對(duì)方交換機(jī)的網(wǎng)橋號(hào)，如果對(duì)方的網(wǎng)橋號(hào)比自己小，則此交換機(jī)將不再聲稱自己是根網(wǎng)橋，而是將對(duì)方網(wǎng)橋號(hào)寫入根網(wǎng)橋號(hào)字段。網(wǎng)絡(luò)中的所有交換機(jī)都進(jìn)行這樣的操作。最后，網(wǎng)絡(luò)中具有最小網(wǎng)橋號(hào)的交換機(jī)將成為根網(wǎng)橋。2021/5/9159.2.3根網(wǎng)橋選舉圖9-2根網(wǎng)橋選舉2021/5/9169.2.4生成樹代價(jià)在根網(wǎng)橋被確定后，其他非根網(wǎng)橋要決定自己的根端口。而根端口是指非根網(wǎng)橋上到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的端口。路徑花費(fèi)反映了到達(dá)根網(wǎng)橋的代價(jià)。

以前IEEE802.1d規(guī)定，代價(jià)值等于1000Mb/s除以鏈路帶寬，如10Mb/s以太網(wǎng)鏈路代價(jià)將是100。隨著技術(shù)的發(fā)展，鏈路帶寬己達(dá)到1OGb/s，IEEE給出了修正了的非線性鏈路代價(jià)值。2021/5/9179.2.4生成樹代價(jià)2021/5/918圖9-7根端口選舉根端口2021/5/9199.2.5生成樹協(xié)議操作圖9-8交換機(jī)端口的四種狀態(tài)2021/5/9209.2.5生成樹協(xié)議操作1.阻塞狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)端口都處于阻塞狀態(tài)以防止出現(xiàn)環(huán)路。此時(shí)端口可以發(fā)送和接收BPDU消息，但是不能發(fā)送任何用戶數(shù)據(jù)。交換機(jī)間將通過(guò)收發(fā)BPDU消息來(lái)確定誰(shuí)是根網(wǎng)橋。此狀態(tài)會(huì)持續(xù)20秒鐘，接下來(lái)將轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)狀態(tài)。2021/5/9219.2.5生成樹協(xié)議操作2.偵聽(tīng)狀態(tài)交換機(jī)間將繼續(xù)收發(fā)BPDU消息。這時(shí)，仍不能發(fā)送任何用戶數(shù)據(jù)。在該狀態(tài)下，交換機(jī)將確定根端口和指定端口。此狀態(tài)會(huì)持續(xù)15秒鐘。在這個(gè)階段結(jié)束時(shí),那些既不是根端口，也不是指定端口的端口將成為非指定端口并返回到阻塞狀態(tài)。而根端口和指定端口將轉(zhuǎn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。2021/5/9229.2.5生成樹協(xié)議操作3.學(xué)習(xí)狀態(tài)交換機(jī)開(kāi)始接收用戶數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶數(shù)據(jù)內(nèi)容建立橋接表。但仍然不能轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)。此狀態(tài)會(huì)持續(xù)15秒鐘。接下來(lái)處于學(xué)習(xí)狀態(tài)的端口將進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。4.轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)在轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)下，端口開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)用戶的數(shù)據(jù)包。2021/5/9239.2.5生成樹協(xié)議操作5.無(wú)效狀態(tài)無(wú)效狀態(tài)不是正常生成樹協(xié)議的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)接口處于無(wú)外接鏈路、被管理性關(guān)閉時(shí)，它將處于無(wú)效狀態(tài)。處于無(wú)效狀態(tài)的端口不接收BPDU。2021/5/9249.2.5生成樹協(xié)議操作圖9-8交換機(jī)端口的四種狀態(tài)2021/5/9259.2.6生成樹的重新計(jì)算圖9-9生成樹的重新計(jì)算2021/5/9269.3生成樹協(xié)議診斷1．showspanning-tree

顯示生成樹協(xié)議中交換機(jī)及其端口的情況2．showspanning-treeblockedports

顯示處于阻塞狀態(tài)的端口3．showspanning-treedetail

顯示生成樹詳細(xì)信息4．showspanning-treeinterface

用于顯示生成樹中某端口相關(guān)狀態(tài)5．showspanning-treevlan

用來(lái)顯示指定VLAN的生成樹內(nèi)容6．showspanning-treesummary

用于顯示生成樹總結(jié)2021/5/92710.3.1showspanning-tree2021/5/92810.3.1showspanning-tree2021/5/92910.3.1showspanning-tree2021/5/93010.3.1showspanning-tree2021/5/93110.3.1showspanning-tree2021/5/9329.4生成樹協(xié)議調(diào)整9.4.1加速生成樹收斂時(shí)間由于交換機(jī)在剛加電啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)端口都要經(jīng)歷:阻塞、偵聽(tīng)、學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)。在能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前，某個(gè)端口可能最多要等50秒鐘的時(shí)間(20秒的阻塞+15秒的偵聽(tīng)+15秒的學(xué)習(xí))。2021/5/9339.4生成樹協(xié)議調(diào)整而有些協(xié)議可能會(huì)因交換機(jī)端口的轉(zhuǎn)發(fā)延遲而失敗。如運(yùn)行DHCP的PC一啟動(dòng)就要發(fā)送IP地址的請(qǐng)求，而此請(qǐng)求可能會(huì)在50秒內(nèi)超時(shí)。運(yùn)行RARP的無(wú)盤工作站，加電啟動(dòng)后立即要尋找服務(wù)器，以獲得啟動(dòng)映像。對(duì)于交換機(jī)上直接連接的普通用戶，用于阻塞和偵聽(tīng)的時(shí)間是不必要的。為了加速端口狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)間，可將端口設(shè)置成快速端口（Portfast)。則當(dāng)交換機(jī)啟動(dòng)或端口有工作站接入時(shí)，該端口直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，而不會(huì)經(jīng)歷阻塞、偵聽(tīng)、學(xué)習(xí)狀態(tài)。2021/5/9349.4生成樹協(xié)議調(diào)整圖9-16配置快速端口2021/5/9359.4.2每VLAN生成樹IEEE802.1Q中對(duì)生成樹的的定義是全局的，即對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有的VLAN運(yùn)行一個(gè)共同的生成樹。即單一生成樹（MonoSpanningTree,MST)Cisco對(duì)802.1Q進(jìn)行了優(yōu)化，支持不同的VLAN擁有不同的生成樹。每VLAN生成樹（PerVlanSpanningTree,PVST）在PVST中，每個(gè)VLAN獨(dú)自運(yùn)行自己的生成樹實(shí)例，獨(dú)自選舉根網(wǎng)橋、根端口、指定端口。交換機(jī)上的某個(gè)端口對(duì)于不同的生成樹實(shí)例會(huì)處于不同的工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)鏈路的復(fù)用和負(fù)載均衡。2021/5/936RP：根端口NDP：非指定端口DP：指定端口2021/5/9379.4.3

根網(wǎng)橋調(diào)整默認(rèn)情況下，所有交換機(jī)的根網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)都相等，而具有最低MAC地址的交換機(jī)將成為根網(wǎng)橋。核心交換機(jī)雖然吞吐量大，但有可能成為非根網(wǎng)橋。被選作根網(wǎng)橋的交換機(jī)可能是一臺(tái)低端的交換機(jī)，其帶寬較低?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)已經(jīng)端口優(yōu)先級(jí)的方式人工控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。2021/5/938圖9-18默認(rèn)情況下的根網(wǎng)橋與非根網(wǎng)橋2021/5/939圖9-19交換機(jī)A的生成樹協(xié)議信息2021/5/9409.4.3

根橋調(diào)整圖9-22定義（主）根網(wǎng)橋

圖9-23定義次根網(wǎng)橋2021/5/9419.4.3

根橋調(diào)整圖9-24新的根網(wǎng)橋與非根網(wǎng)橋2021/5/942圖9-25交換機(jī)A的生成樹協(xié)議信息2021/5/943圖9-2