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1 基本概念
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1 基本概念
STPSpanning Tree Protocol即IEEE 802.1D其作用主要有三个第一是eliminate logical loops消除逻辑环第二自动选取最有效的网络路径第三是当某条链路失效时自动切换到备份链路实现所谓的failover功能。STP协议有很多种类可分为STP(802.1D)、RSTP(802.1W)、MSTP(802.1S)、PVST/PVST PVRST/PVRST。STP的基本原理是通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文网桥协议数据单元Bridge Protocol Data Unit简称 BPDU来确定网络的拓扑结构。
1.1 STP基本术语
根桥ROOT在一个交换网络中有且只能有一个根桥根交换机STP的主要作用就是在一个交换网络中计算出一棵无环的STP树。非根桥只要不是根桥就是非根桥非根交换机。桥IDBridge IDBID由优先级MAC地址组成。端口IDPort IDPID由优先级端口号组成。根路径开销Root Path CostRPC 路径成本的计算和链路的带宽相关联根路径成本就是到根网桥的路径中所有链路的路径成本的累计和BPDUBridge Protocol Data Unit桥协议数据单元用于网桥之间传递BPDU来交互协议信息。BPDU分为 配置BPDU 和 TCN BPDU。配置BPDU用来进行生成树的计算和维护生成树拓扑的报文。TCN BPDU是当拓扑结构改变时候用来通知相关桥设备网络拓扑结构发生变化的报文。
1.2 端口角色
根端口Root Port每一个非根交换机都需要选举一个RP基于设备选举用于接收根桥发出的BPDU。指定端口Designated Port每条链路都会选举一个DP在一条链路中离ROOT根桥交换机最近的就是DP基于链路选举。候补端口Alernate Port为根端口RP的备份端口最终宿命为阻塞。
1.3 STP端口状态
Disable :不接收也不转发帧,不学习MAC地址,不参与生成树计算(端口没连线或者端口shutdown)Blocking:不接收也不转发帧,接收但不发送BPDU ,不学习MAC地址(AP/BP) 直接丢弃对端发过来的数据帧。Listening:不接收也不转发帧,接收并且发送BPDU ,不学习MAC地址(RP/DP) 过渡状态Learning:不接收也不转发帧,接收并且发送BPDU ,学习MAC地址(RP/DP) 过渡状态Forwarding:接收并转发帧,接收且发送BPDU,学习MAC地址 最终状态
1.4 STP端口变化过程
1.首先链路up。 2.初始为blocking状态,在迁移到Listening状态时决定谁是RP和DP。 3.Listening状态需要等15秒进入到Learning状态(确定端口角色)。 4.Learning状态再等15秒进到Forwarding(学习MAC表项)。 5.最终达到Forwarding状态STP完成收敛。 也就是说当使用标准生成树时现网当中启用新端口会存在30S的监听学习时间这30S时间中端口是不转发任何数据的。
2 选举规则
2.1 选举简介
1.首先选举根桥ROOT。 2.每个非根交换机选举根端口RP。 3.每条链路选举出一个指定端口DP。 4.剩余端口为AP端口阻塞。
2.2 选举步骤
2.2.1 根桥的选举ROOT
1.首先选举root(根桥)通过BID进行选举BID由优先级与桥MAC组成。2字节桥优先级,6字节MAC地址(6*848bit) 。
比较优先级默认优先级32768相同的情况 下,比较桥MAC的地址都是越小越优。
2.2.2 根端口选举RP
Root根桥选后之后进行 Root Port根端口选举。每个非根交换机都要选择一个根端口用来接收ROOT根桥的BPDU。 选举规则 1.RPC根路径开销跟链路带宽有直接关系。越小越优 2.比较发送者的桥IDBID由优先级与桥MAC组成。越小越优 3.比较发送者的端口IDPID由优先级与端口号组成。越小越优 4.比较接受者的端口IDPID由优先级与端口号组成。越小越优
举例 1.下图可以看出SW4需要选举RP端口但是去往根桥无论是通过SW2还是SW3路径开销都是一致的只能比较发送者BID最终SW2这条链路更优秀SW4的E0/0选举为RP。
2.SW5需要选举RP可以看出RPC和BID都是一致的通过发送者PID进行选举很明显SW3 E0/3这条链路更优SW5 E0/1端口被选举为RP端口。
3.SW6需要选举RP在链路上的这个HUB2可以看做是将一根线劈成两半RPC和BID是一致的发送者PID是E1/1只能通过接收者PID进行选举SW6 E0/0选举为RP。
2.2.3 选举指定端口DP
在STP中选完RP端口后下一步选举 指定端口DP。每条链路都会选举一个DP一条链路中离ROOT根桥交换机最近的就是DP。 选举规则 1.RPC根路径开销跟链路带宽有直接关系。越小越优 2.发送者的桥 IDBID由优先级与桥MAC组成。越小越优 3.发送者的端口IDPID由优先级与端口号组成。越小越优
2.2.4 选举替代端口AP
最后是选择AP端口AP端口是RP端口备份。端口被选举为AP后端口将会被阻塞从而达到破环的目的在这个过程中端口只会监听BPDU不会中继BPDU更不会转发业务流量。 选举规则 如果一个端口在一条链路上收到另外一个网桥的更好的 BPDU但不是最好的那么这个端口成为替换端口。
3 BPDU数据包分析
BPDU报文共有两种类型配置BPDU与TCN BPDU。一般情况下配置BPDU是根桥发送给各个桥的报文而TCN BPDU是当网络拓扑中的桥发现网络拓扑发生变化时向根桥发送的报文。
3.1 配置BPDU 字段描述Protocol Identifier(协议ID)生成树协议ID总是为0protocol version Identifier协议版本号用于描述当前使用的协议版本号STP802.1D传统生成树,值为0;RSTP802.1W快速生成树,值为2MSTP802.1S多生成树,值为3;BPDU TypeBPDU类型用于描述当前BPDU消息类型配置BPDU类型0x00用于建立、维护STP拓扑TCN BPDU类型0x80传达拓扑变更消息RSTP/MSTP类型0x02BPDU FlagsBPDU标志位由8位组成只使用最高位和最低位其余6位保留。最低位TCTopology Change拓扑变化标志最高位TCATopology Change Acknowledgement拓扑变化确认标志Root Identifier根ID用于描述当前的根桥ID由2字节的桥优先级6字节的MAC地址组成。Root Path Cost根路径开销用于描述发送该BPDU报文的端口累计到根桥的开销Bridge Identifier桥ID用于描述发送该BPDU的桥ID由2字节的桥优先级6字节的MAC地址组成。Port Identifier端口ID由优先级端口号组成。指示发送该BPDU报文的端口ID即“发送端口ID”。Message Age消息生存时间指示该BPDU报文的生存时间即端口保存BPDU的最长时间过期后将删除要在这个时间内转发才有效如果配置BPDU是直接来自根桥的则Message Age为0如果是其他桥转发的则配置BPDU报文经过一个桥Message Age增加1MAX age最大生存时间指示BPDU消息的最大生存时间也即老化时间Hello TimeHello消息定时器指示发送两个相邻BPDU的时间间隔根桥通过不断发送STP维持自己的地位Hello time 是发送的间隔时间Forward Delay转发延时最大延迟时间默认15s端口从listening - learning 或 learning - forwarding 的转态需要时间。
3.2 TCN BPDU TCN示例 1.当拓扑发生变化时交换机首先会发送一个TCN BPDU来通告根桥。
2.根桥会首先回复一个TCA表明我已经收到了你发送的TCN通告。
3.ROOT根桥向全网泛洪TC1的配置BPDU持续35秒2015 maxageforwarddelay
4.交换机在收到TC1的这35S内,所有的交换机的老化时间保持为15秒,直到收到tc0的配置BPDU后,重新将mac老化时间修改为300。
4 STP的一些重要特性
4.1 Portfast
PortFast是为了让接入的非交换机设备快速进入转发Forwarding状态。假如一台Server接入到了交换机与交换机连接的是Server的网卡这个接入是不会改变交换机的STP拓扑的。但默认情况下接入Server或Server有重启等操作后端口都要再次经历Blocking–Listening–Learning–Forwarding这个过程这对于网卡设备是没有必要的所以Cisco交换机可以开始PortFast功能跳过Listening和Learning直接进入Forwarding状态这可以使服务器网络快速上线。 开启了PortFast的端口如果检测到接入的是一台Switch就会按正常的顺序走Listening–Learning–Forwarding的过程如果检测到是非交换机就会让端口快速进入Forwarding状态。
4.2 Uplinkfast
如下图当S3的RP端口失效时E0/1接口将从AP-RP状态需要经历listening-learning最少30秒才能进入到转发状态当开启uplinkfast后立即切换成Forwarding状态跳过延时。
4.3 BackboneFast 如下图如果SW2 E0/0这条链路失效SW2会认为自己为ROOT他会向SW3发送BPDU。SW3收到这个次优BPDU后会选择忽略等待max age20S后SW3 E0/1 从AP-DP15S15S端口给SW2发送一个更优的BPDUSW2知道自己不是ROOT后停止发送BPDUSW3 E0/1变为DP共耗时max agelisteninglearning 20S15S15S50S。 当开启backbonefast后SW2给SW3发送次优BPDUSW3会从自己的RP端口发送RLQROOT link query如果收到SW1发来的响应确认根桥还在会把SW3的E0/1接口直接从blocking-listening状态。启用backbonefast会减少20S的max age时间不需要去硬等老化时间会主动去找ROOT进行确认。 如果配合Uplinkfast端口状态可以秒级切换。 4.4 BPDUGuard
该接口在收到BPDU报文后会立即切换到err-disable状态常搭配portfast特性一起使用用于连接主机 由于配置了portfast特性,接口可以可以快速进入到fwd状态。但是由于人员误操作接交换机而可能产生了环路风险。带网管的交换机会发送bpdu,当交换机收到bpdu后马上意识到连接的不是PC而是交换机.可能出现环路风险直接将端口shutdown,进入err-disable,这种down与administratively管理down并不相同,这种是err-down,需要手工shutdown,no shutdown才可打开该接口
4.5 Root Guard
Root Guard可以使STP免受Bridge Priority小的新接入的Switch抢了现有根桥的位置也就是防止更优的BPDU抢占ROOT。开启后当有一个新接入的交换机的Bridge Priority比现有根桥小时这个端口会被置于Root Inconsistent状态它会被Block掉而不会转发和接收任何数据。
5 标准STP的缺陷
5.1 收敛时间长
在默认情况下STP的收敛时间为30SListeninglearning各15S在某些场景下收敛时间更是长达50S例如根桥故障不向外发送BPDU交换机需要先等待20S的老化时间再加上30S的Listeninglearning在这个时间段内会导致网络长时间的中断。
5.2 拓扑变化时收敛机制不灵活
想象一种场景当企业上下班时间每个员工将自己的PC进行开关机的操作现网当中就会出现大量的TCN BPDU影响设备的性能而这种PC机器其实不需要参加到生成树计算当中。 二、RSTP
1 基本概念
Rapid Spanning Tree ProtocolRSTP快速生成树协议是传统Spanning Tree Protocol的升级版本由802.1D进化为802.1W。传统STP的收敛时间Convergence Time太慢当有拓扑发生变化整个网络需要30秒或更多时间才能恢复到稳定状态这是许多业务场景上无法接受的RSTP的出现就是为了缩短收敛时间Convergence Time以适应更严苛的使用环境的需求。
1.1 基本术语
端口角色根端口RP、指定端口DP、替代端口APAlternate port、备份端口BPbackup port端口状态转发Forwarding、丢弃discarding、学习learningRSTP BPDU flags标志位与STP有所不同边缘端口edge port:边缘端口会节省30S的延时端口UP后会立即进入转发状态且端口的UP/DOWN不会触发拓扑变更他不参与生成树的计算主要是连接PC机器。它本身会有很多保护机制防环例如边缘端口如果收到BPDU报文会马上变为一个普通端口加入到生成树的计算中。
1.2 端口角色
相比STP来说RSTP只有根端口、替代端口、备份端口。 根端口在一个交换网络中有且只能有一个根桥根交换机主要作用就是在一个交换网络中计算出一棵无环的STP树。 替代端口Alternate portAP为RP的备份端口。如果一个端口在一条链路上收到另外一个网桥的更好的 BPDU但不是最好的那么这个端口成为替换端口。 备份端口backup portBP为DP的备份端口。由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
备注在一些资料中也有把edge port边缘端口当做一类端口角色但我个人认为这只是RSTP的一种特性因为从交换机的角色role里面没有一种角色叫做边缘端口角色个人认为只能称之为RSTP的一种特性或者叫状态。
1.3 端口状态
相比stp来说RSTP只有转发Forwarding、丢弃discarding、学习learning。
端口状态说明Forwarding转发在这种状态下端口既转发用户流量又处理BPDU报文。Learning学习这是一种过渡状态。在Learning下交换设备会根据收到的用户流量构建MAC地址表但不转发用户流量所以叫做学习状态。Learning状态的端口处理BPDU报文不转发用户流量。Discarding(丢弃)Discarding状态的端口只接收BPDU报文。
2 RSTP报文
2.1 与STP对比
RSTP相比STP来说STP有两种类型的报文格式配置BPDU和TCN BPDU。而RSTP只有RST BPDU一种与STP的格式基本一致最大的变化在于BPDU flags字段做出改变在STP的FLAG标记中只用了TCA和TC而RSTP中原先空余的6位全部有了新的定义。
以下为STP报文
以下为RSTP报文
2.2 BPDU Flags 字段作用TCA保留但无用因为在RSTP中并没有TCN BPDU取值永远为0AgreementPA机制中的同意位ForwardingForwarding标志位表示端口处Forwarding状态LearningLearning标志位表示端口处于Learning状态Port role角色位2bit组成 ,有四种组合。00 未定义01AP/BP 替代端口/备份端口10RP根端口11DP指定端口ProposalPA机制中的提议位TCRSTP中的拓扑改变通知
3 RSTP核心内容—P/A机制
3.1 传统STP缺乏反馈机制所面临的问题 现网当中新增链路Link1在SWA和ROOT之间。 A及ROOT在Link1链路两端的接口都将进入listening状态A在收到ROOT发来的BPDU后计算出自己的端口角色A的link1接口为RP。 A将中继ROOT发过来的BPDU从自己的两个DP端口发送给B和CC继续发送给D。 当D收到从C发来的BPDU后明显ROOT发来的BPDU比C发过来的优先级更优所以P1端口角色为AP进行阻塞。 当A的端口角色确定后他有一个30S的收敛时间listeninglearning30S后才能进入转发状态而如果此时B和C需要往外发送数据是不行的因为此时A正在收敛而如果从D走的话P1端口又是阻塞的此时ABC通讯会出现问题。 STP缺陷就在此缺少反馈机制必须硬等30S的收敛时间。
3.2 P/A机制
P/A机制正是解决STP中缺少反馈的这个问题而出现的P/A协商可以让交换机的RP和DP的互联接口快速进入转发状态。 端口角色 P0指定端口 P1根端口 P2替代端口 P3指定端口 P4边缘端口 首先ROOT 的DP在处于Discarding和Learning状态时会发送P1的报文。 A在收到一个最优BPDU后他知道自己p1端口是一个RPA会启动sync同步临时阻塞DP端口。 ——P2是AP端口已经阻塞的端口状态保持不变 ——P4是边缘端口不参与生成树运算 ——P3是唯一可能会发生环路的接口DP端口临时阻塞DP 在完成SYNC同步后A发送一个 agreement置位的消息。 ROOT在收到agreement置位的消息后状态立即转变为Forwarding。此时A的P3仍然为阻塞状态继续往下PA扩散,直到网络的末梢,PA到AP端口无法响应P1后不再需要PA为止。
3.3 P/A机制的前提
1.什么场景发送Proposal置位的RST BPDU? 处在Discarding或者Learning的DP口就会发送p1的rst bpdu 2.什么场景响应Proposal置位的RST BPDU?谁响应谁 只有RP端口角色才会响应P1的RST BPDU 3.什么是SYNC同步 SYNC同步的作用就是把DP的Forwarding状态临时性的变为Discarding.先临时性的避免出现环路。AP端口本来堵塞EP端口不参与生成树计算接是终端也不会出环只有DP Forwarding端口转发才可能出环。.
3.4 P/A机制报文分析
拓扑: 1.两台交换机加电以后开始交互BPDUSW2收到更优的BPDU后会马上停止发送BPDU。 2.SW1的e0/0端口进入Discarding状态发送RST BPDU中把Proposal置1.
3.SW2 在收到proposal置位的BPDU时开始将自己的所有端口进行SYNC同步。 4.在所有端口都进入Discarding状态之后SW2向SW1发送agreement置位的BPDU。
5.SW1在收到回应以后端口立马从Discarding转变为Forwarding状态。
三、MSTP
1 基本概念
Multiple Spanning Tree protocol (MSTP)多重生成树协议是由802.1w的快速生成树RSTP扩展而来。RSTP虽然解决了收敛速度的问题但是也是per vlan的spanning tree意思是说他是基于每个VLAN一棵树当VLAN数目非常多的时候将面临庞大的管理问题其次是对于交换机的硬件资源也是一个巨大的挑战。MSTP使用instance的方式将VLAN进行分组同一组的instance的vlan共用一棵树将多个VLAN放在一个instance进行统一管理。在RSTP中没有区域的概念MSTP将整个网络进行划分到不同的区域regionregion有自己独立的拓扑region之间互不干涉每个region类似于一个个国家。每个region被看做是一个虚拟的switch每个虚拟交换机会进行一个spanning tree的运算这个就是CISTCommon and Internal Spanning TreeCIST不会影响每个region内部的生成树。
2 配置MSTP的参数
MSTP有三个参数当三要素相同时才认为是同一个域 configuration Name(域名)同一个Region的交换机使用相同的Configuration Name Revision Number修订版本可进行自定义默认为0 Instance实例实例与VLAN的对应关系
3 MSTP报文 协议类型标识符protocol Version Identifier0为STP2为RSTP3为MSTP 前35个字节BPDU 和 RST BPDU相同从36个字节开始为MSTP专有字段。 MST配置标识表示MST域的标签信息包含4个字段Configuration Identifier Format Selector固定为0。Configuration Name“域名”32字节长字符串。Revision Level2字节非负整数。Configuration Digest利用HMAC-MD5算法将域中VLAN和实例的映射关系加密成16字节的摘要。只有MST Configuration Identifier中的四个字段完全相同的并且互联的交换机才属于同一个域。
