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STP概述
二层环路带来的问题
1.广播风暴
2.MAC地址漂移问题
3.多帧复制---这个好理解#xff0c;同一个数据帧被重复收到多次#xff0c;被称为多帧复制。
802.1D生成树
STP的BPDU
BPDU主要分为两大类
配置BPDU
RPC
COST
配置BPDU的工作过程
TCN BPDU
TCN…目录
STP概述
二层环路带来的问题
1.广播风暴
2.MAC地址漂移问题
3.多帧复制---这个好理解同一个数据帧被重复收到多次被称为多帧复制。
802.1D生成树
STP的BPDU
BPDU主要分为两大类
配置BPDU
RPC
COST
配置BPDU的工作过程
TCN BPDU
TCN BPDU的工作原理
STP的角色
STP角色选举
1.根网桥选举
2.根端口选举
3.指定端口选举
4.非指定端口选举
STP的接口状态
接口状态的迁移
STP的收敛时间
首次收敛
结构突变
1.根桥故障
2.直连链路故障
STP基本配置
RSTP
802.1D生成树的缺点
RSTP的改进点改进点
改进点1:端口角色
改进点2:端口状态
改进点3: RST BPDU
改进点4:配置BPDU的处理
改进点5:快速收敛机制
PIA机制详解
改进点6:拓扑变更机制
改进点7:保护功能
MSYP
MSTP概述
MST Region
MSTP的基本配置 STP概述
以太网交换网络中为了进行链路备份提高网络可靠性通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象从而导致用户通信质量较差甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题提出了生成树协议STP (Spanning Tree Protocol)。 1.随着局域网规模的不断扩大越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如图接入层交换机单链路上联则存在单链路故障也就是如果这根上联链路发生故障交换机下联用户就断网了。另一个问题的单点故障也就是交换机如果宕机交换机下联用户也就断网了。
2.为了解决此类问题交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性但是也会产生环路而环路会带来一系列的问题继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。 BCMSN三层架构
三层架构
接入层提供端口的密度用于用户终端的接入—二层交换机、AP
汇聚层分布层流量的集合DHCP/VLAN/STP/HSRP/VRRP/channel…
QOS/ACL
核心层nat、高速路由转发 冗余—备份 线路、设备、网关、UPS电源 二层环路带来的问题
1.广播风暴 1根据交换机的转发原则如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧或者是一个目的MAC地址未知的单播帧则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路则这个帧会被无限转发此时便会形成广播风暴网络中也会充斥着重复的数据帧。
2本例中SW3收到了一个广播帧将其进行泛洪SW1和SW2也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口结果此帧又会被再次转发给SW3这种循环会一直持续于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降并会导致业务中断。
2.MAC地址漂移问题 1交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。
2本例中SW3收到一个广播帧泛洪SW1从GEO/0/1接口接收到广播帧后学习且泛洪形成MAC地址5489-98EE-788A与GEO/0/1的映射;SW2收到广播帧后学习且泛洪SW1再次从GEO/0/2收到源MAC地址为5489-98EE-788A的广播帧并进行学习5489-98EE-788A会不断地在GEO/0/1与GEO/0/2接口之间来回切换这被称为MAC地址漂移现象。 3.多帧复制---这个好理解同一个数据帧被重复收到多次被称为多帧复制。
为了保证备份链路的存在并且不会出现二层环路所以我们设计了STP协议。 1STP通过构造—棵树来消除交换网络中的环路。
2运行STP算法判断网络中存在环路的地方并阻断冗余链路将环路网络修剪成无环路的树型网络从而避免了数据帧在环路网络中的增生和无穷循环。 1交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构当网络拓扑结构发生变化时生成树能感知到这些变化并且自动做出调整。
(如图交换机上运行STP协议会通过报文监控网络的拓扑结构正常情况下是将SW3上的一个接口进行阻塞Block)从而打破环路当监控到SW1与SW3之间出现链路故障则恢复阻塞端口进入转发状态。)
2因此生成树既能解决二层环路问题也能为网络的冗余性提供一种方案。 生成树协议原理:在二层交换网络中逻辑的阻塞部分的接口实现从根交换机到所有节点唯一的路径且为最佳路径生成一个没有环路的拓扑。当最佳路径出现故障时个别被阻塞的接口将打开形成备份链路。 802.1D生成树
生成树是相对比较早的一个协议了所以也经历了多种版本的更替。我们现在常见的主要是802.1D生成树(最早期的生成树种类)RSTP(快速生成树协议---定义在802.1W中也被称为802.1W生成树)MSTP(多生成树协议---定义在802.1S中也被称为802.1S生成树。)
我们首先需要关注的是最基本的802.1D生成树协议其他版本都是在802.1D的基础上改进的本质原理相同。
STP的BPDU
所谓BPDU --- Bridge Protocol Data Unit网桥协议数据单元---其实就是STP生成树需要发送的数据包的叫法。
1.BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。
2.STP交换机之间会交互BPDU报文这些BPDU报文携带着一些重要信息正是基于这些信息STP才能够顺利工作。 BPDU主要分为两大类
1.配置BPDU
2.TCN BPDU
其中配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键;TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发 配置BPDU
配置BPDU的报文格式 1.配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键
2.只有根网桥主动发送配置BPDU其他非根网桥都只是转发根网桥发送的配置BPDU。 RPC COST 接口cost是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值该值存在默认值与接口的速率有关联并且设备使用不同的算法时相同的接口速率对应不同的Cost值。
(华为设备默认采用的是802.1t标准;华三设备默认使用的是自定义标准) 配置BPDU的工作过程
所有交换机刚启动所有接口都激活STP一开始并不知道谁是根则所有设备都将判定自己为根网桥从字节的所有激活了STP的接口发送配置BPDU则其中将包含本机参数。之后所有设备都交换参数后将根据参数数值进行选举之后将选举出一个真正的根网桥。之后只有根网桥将周期的发送配置BPDU而其他非根网桥只能在接受到根网桥发送的BPDU后进行转发。(转发时可以修改其中的参数。)--发送周期为2SMAX AGE --- 20S。 TCN BPDU
TCN BPDU的报文格式
仅拥有配置BPDU的前三个参数其中BPDU类型字段为Ox80。
TCN BPDU的工作原理 TCN BPDU ---本地交换链路故障后STP将重新收敛为了加快刷新交互机的MAC地址表将向本地所有STP接口发出TCN BPDU邻居交换机收到TCN BPDU后将回复一个TCA位置1的配置BPDU用于可靠性传出之后将TCN BPDU逐级转发到根网桥处由根网桥下发TC标记位置1的配置BPDU逐级下发给所有的交换机所有交换机在收到后将临时的将300S的MAC地址老化时间改为15S。 STP的角色
1.STP中一共存在四种角色
1.根网桥也叫根桥)--- RB
1STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“树”(STP树)。
2根桥是一个STP交换网络中的“树根。
3STP开始工作后会在交换网络中选举一个根桥根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”是STP计算得出的无环拓扑的“树根。
2.根端口--- RP
1每台非根网桥有且仅有一个接口将被选择为根端口用来接受根网桥的BPDU
2一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口的端口由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。
3在选举出根桥后根桥仍然持续发送BPDU而非根桥将持续不断的收到根桥发送的BPDU。因此在所有非根桥上选举一个距离根桥最近的端口根端口)在网络收敛后根端口将不断的收到来自根桥的BPDU。
4即:根端口保证了交换机与根桥之间工作路径的唯一性和最优性。
3.指定端口--- DP
1每条链路存在一个接口为指定接口用来发送或者转发根网桥的BPDU
2网络中的每个链路与根桥之间的工作路径必须是唯一的且最优的。当一个链路有两条及以上的路径通往根桥时该链路连接了不同的交换机或者该链路连接了同一台交换机的不同端口)与该链路相连的交换机(可能不止一台就必须确定出一个唯一的指定端口。
3因此每个链路(Link)选举一个指定端口用于向这个链路发送BPDU。
4.非指定端口--- NDP
1所有剩余接口没有任何角色都属于非指定接口非指定接口将被阻塞。
STP角色选举
1.根网桥选举 如图:根桥的选举先比较优先级交换机SW1、2、3的优先级相等则比较MAC地址也优选最小的,所以SW1的BID最小因此sw1为根桥SW2和SW3为非根桥。
2.根端口选举 选举过程:
1.交换机有多个端口接入网络各个端口都会收到BPDU报文报文中会携带RootID、RPC.BID、PID等关键字段端口会针对这些字段进行PK。
⒉.首先比较根路径开销(RPC)STP协议把根路径开销作为确定根端口的重要依据。RPC值越小越优选因此交换机会选RPC最小的端口作为根端口。
3.当RPC相同时比较上行交换机的BID即比较交换机各个端口收到的BPDU中的BID值越小越优选因此交换机会选上行设备BID最小的端口作为根端口。
4.当上行交换机BID相同时比较上行交换机的PID即比较交换机各个端口收到的BPDU中的PID值越小越优先因此交换机会选上行设备PID最小的端口作为根端口。
5.当上行交换机的PID相同时则比较本地交换机的PID即比较本端交换机各个端口各自的PID值越小越优先因此交换机会选端口PID最小的端口作为根端口。 3.指定端口选举 指定端口也是通过比较RPC来确定的选择RPC最小的作为指定端口如果RPC相同则比较BID和PID
1.首先比较根路径开销(RPC)值越小越优选因此交换机会选RPC最小的端口作为指定端口。
2.若RPC相等则比较链路两端交换机的BID值越小越优选因此交换机会选BID最小的交换机的端口作为指定端口。
3.若BID相等则比较链路两端端口的PID值越小越优选因此交换机会选PID最小的交换机的端口作为指定端口。 4.非指定端口选举 1.STP会对这些非指定端口进行逻辑阻塞即这些端口不能转发由终端计算机产生并发送的帧用户数据帧)。
2.—旦非指定端口被逻辑阻塞后STP树(无环路工作拓扑就生成了。
3.注意:非指定端口可以接收并处理BPDU。 STP的接口状态 接口状态的迁移 图中所示为STP的端口状态迁移机制运行STP协议的设备上端口状态有5种:
1.Forwarding:转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。
2.Learning:学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。
3.Listening:侦听状态。端口可以转发BPDU报文但不能转发用户流量。
4.Blocking:阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU不能转发BPDU也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
5.Disabled:禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文也不转发用户流量。 STP的收敛时间
802.1D生成树在收敛时主要是基于计时器收敛的。
首次收敛
首次收敛所有设备最先进入的是阻塞状态需要先停留20S(最大寿命时间)之后进入侦听此状态停留15秒选举角色之后进入学习状态再停留15S总共50S。
结构突变
1.根桥故障 根桥故障
1在稳定的STP网络非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
2如果根桥发生了故障停止发送BPDU下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。
3如果下游交换机一直收不到BPDU报文Max Age计时器缺省:20s)就会超时从而导致已经收到的BPDU报文失效此时非根桥会互相发送配置BPDU重新选举新的根桥。 端口状态:
1SW3的预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态再进入Learning状态最终进入到Forwarding状态进行用户流量的转发。 收敛时间:
1根桥故障会导致50s左右的恢复时间等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。 2.直连链路故障 直连链路故障:
1当两台交换机间用两条链路互连时其中一条是主用链路另一条为备用链路。
2当网络稳定时交换机SWB检测到根端口的链路发生故障则其备用端口会进入用户流量转发状态。 端口状态:
1备用端口会从Blocking状态迁移到Listening-Learning-Forwarding状态。 收敛时间:
1直连链路故障备用端口会经过30s后恢复转发状态。
3.非直连链路故障 非直连故障
1在稳定的STP网络非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
2若SW1与SW2之间的链路发生了某种故障非物理故障)因此SW2一直收不到来自根桥SW1的BPDU报文Max Age计时器缺省:20 s就会超时从而导致已经收到的BPDU报文失效。
3此时非根桥SW2会认为根桥失效并且认为自己是根桥从而发送自己的配置BPDU给SW3通知SW3自己是新的根桥。
4在此期间SW3的预备端口一直收不到包含根桥ID的BPDUMax Age计时器超时后端口进入到Listening状态开始向SW2“转发从上游发来的包含根桥ID的BPDU。
5因此Max Age定时器超时后SW2和SW3几乎同时收到对方发来的BPDU再进行STP重新计算SW2发现SW3发来的BPDU更优就放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。 端口状态:
1SW3预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态再进入Learning状态最终进入到Forwarding状态进行用户流量的转发。 收敛时间:
1非直连故障会导致50s左右的恢复时间等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。
STP基本配置
1.配置生成树工作模式 R是根端口D是指定端口A是阻塞端口 RSTP
802.1D生成树的缺点
1.STP协议虽然能够解决环路问题但是由于网络拓扑收敛慢影响了用户通信质量。如果网络中的拓扑结构频繁变化网络也会随之频繁失去连通性从而导致用户通信频繁中断这是用户无法忍受的。
2.STP没有细致区分接口状态和接口角色不利于初学者学习及部署。
3.网络协议的优劣往往取决于协议是否对各种情况加以细致区分。
1从用户角度来讲Listening、Learning和Blocking状态并没有区别都同样不转发用户流量。
2从使用和配置角度来讲接口之间最本质的区别并不在于接口状态而是在于接口扮演的角色。
3根接口和指定接口可以都处于Listening状态也可能都处于Forwarding状态。
4.STP算法是被动的算法依赖定时器等待的方式判断拓扑变化收敛速度慢。
5.STP算法要求在稳定的拓扑中根桥主动发出配置BPDU报文而其他设备进行处理传遍整个STP网络。这也是导致拓扑收敛慢的主要原因之一。
RSTP的改进点改进点
改进点1:端口角色
通过端口的增补简化了生成树协议的理解于部署。 1.RSTP的端口角色共有4种:根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口。
2.根端口和指定端口的作用同STP中定义Alternate端口和Backup端口的描述如下:
1从配置BPDU报文发送角度来看:
Alternate端口就是由于学习到其它网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
2从用户流量角度来看:
Alternate端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径作为根端口的备份端口。
Backup端口作为指定端口的备份提供}另一条从根桥到相应网段的备份通路。
3.给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。 改进点2:端口状态
RSTP的状态规范缩减为3种根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:
1.Discarding状态:不转发用户流量也不学习MAC地址;
2.Learning状态:不转发用户流量但是学习MAC地址;。
3.Forwarding状态:既转发用户流量又学习MAC地址。 改进点3: RST BPDU
1.RSTP的配置BPDU充分利用了STP报文中的Flag字段明确了端口角色。
2.除了保证和STP格式基本一致之外RSTP作了如下变化:
1Type字段:配置BPDU类型不再是0而是2所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃。
2Flag字段:使用了原来保留的中间6位这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU。
3.RST BPDU报文格式: 4.RST BPDU与STP配置BPDU报文格式不同点包括:BPDU类型和Flag字段。
1BPDU类型1 ByteRST BPDU的类型值为Ox02。
2标志1 Byte包括:
bit 7: TCA表示拓扑变化确认;
bit 6: Agreement表示同意用于P/A机制;.bit 5: Forwarding表示转发状态;
bit 4: Learning表示学习状态;
bit 3和bit2:表示端口角色00表示未知端口01表示替代或备份端口10表示根端口11表示指定端口;
bit 1 : Proposal表示提议用于P/A机制;. bit 0:TC表示拓扑变化。 改进点4:配置BPDU的处理 改进点5:快速收敛机制 边缘接口的UP和Down不会引起拓扑的变动 注意:这个PIA机制是RSTP快速收敛的核心手段因为他改变了STP依照计时器收敛的方法可以理解为完成选举后立即切换状态完成收敛。
1.事实上对于STP指定端口的选择可以很快完成主要的速度瓶颈在于:为了避免环路必须等待足够长的时间使全网的端口状态全部确定也就是说必须要等待至少一个ForwardDelay所有端口才能进行转发。
2.而RSTP的主要目的就是消除这个瓶颈通过阻塞自己的非根端口来保证不会出现环路。而使用P/A机制加快了上游端口进入Forwarding状态的速度。 PIA机制详解 改进点6:拓扑变更机制
1.在STP中如果拓扑发生了变化需要先向根桥传递TCN BPDU再由根桥来通知拓扑变更泛洪TC置位的配置BPDU。
2.在RSTP中通过新的拓扑变更机制TC置位的RST BPDU会快速的在网络中泛洪。·如上图所示:
1SW3的根端口收不到从根桥发来的RST BPDU后Alternate端口会快速切换为新的根端口启动TC WhileTimer并清空状态发生变化的端口学习到的MAC地址。然后向外发出TC置位的RST BPDU。
(2)SW2接收到RST BPDU后会清空接收口以外所有端口学习到的MAC地址同时开启计时器并向外发送TC置位的RST BPDU。
2.最终RST BPDU会在全网泛洪。 改进点7:保护功能
BPDU保护 根保护 环路保护 MSYP
1.RSTP在STP基础上进行了改进实现了网络拓扑快速收敛。但在划分VLAN的网络中运行RSTP/STP局域网内所有的VLAN共享一棵生成树被阻塞后的链路将不承载任何流量,无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡导致链路带宽利用率、设备资源利用率较低 2.为了弥补RSTP/STP的缺陷IEEE于2002年发布的802.1S标准定义了MSTP ( MultipleSpanning Tree Protocol多生成树协议)。MSTP兼容STP和RSTP通过建立多棵无环路的树解决广播风暴并实现冗余备份。 MSTP概述
1.MSTP是IEEE 802.1S中定义的生成树协议MSTP兼容STP和RSTP既可以快速收敛又提供了数据转发的多个冗余路径在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。
2.MSTP可以将一个或多个VLAN映射到一个Instance (实例)再基于Instance计算生成树映射到同一个lnstance的VLAN共享同一棵生成树。 3.如图中例子经计算最终生成两棵生成树:
(1)lnstance1对应的生成树以SW1为根交换设备转发VLAN1~VLAN10的报文。
(2)lnstance2对应的生成树以SW2为根交换设备转发VLAN11~VLAN20的报文。
(3)不同VLAN的报文沿不同的路径转发实现了负载分担。
注意:生成树不是基于VLAN运行的而是基于Instance运行的 MST Region 1.同一个MST域的设备具有下列特点:
(1)都启动了MSTP。
(2)具有相同的域名。
(3)具有相同的VLAN到生成树实例映射配置。
(4)具有相同的MSTP修订级别配置。 2.Instance0是缺省存在的而且缺省时华为交换机上所有的VLAN都映射到了Instance0。
3.通过设置VLAN映射表即VLAN和MSTI的对应关系表)把VLAN和MSTIl联系起来。
(1)每个VLAN只能对应一个MSTI即同一VLAN的数据只能在一个MSTI中传输而一个MSTI可能对应多个VLAN MSTP的基本配置 [r1]stp mode mstp
默认存在组0且所有vlan默认处于该组优先级 327680
分组
[sw1]stp enable
[sw1]stp region-configuration
[sw1-mst-region]region-name a 所有设备应在一个组内
[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5
[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10
[sw1-mst-region]active region-configuration 激活当前配置必须配置该指令
切记若将创建某个组但该组内的vlan在本交换机上没有创建同时没有为该vlan服务的接口该组将没有任何信息整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致
定义本地为组1 的主根组2 的备份根
stp instance 1 root primary 优先级修改为0
stp instance 2 root secondary 优先级修改为4096
