沈鑫剡编著《路由和交换技术》(第2版)配套课件第3章

©2006工程兵工程学院计算机教研室路由和交换技术（第2版）第三章生成树协议路由和交换技术第3章生成树协议本章主要内容生成树协议的作用STP工作原理快速生成树协议多生成树协议生成树协议路由和交换技术3.1生成树协议的作用本讲主要内容环路引发广播风暴树形网络弱可靠性生成树协议的由来和发展生成树协议路由和交换技术一、环路引发的广播风暴网桥自动学习地址机制要求网桥间不允许存在环路；或是构建树形以太网结构，或是找出一种消除以太网环路的机制；生成树协议就是一种消除以太网环路机制。终端A终端B网桥２1212生成树协议路由和交换技术二、树形网路的弱可靠性1231231244网桥1网桥2网桥3终端A终端B终端C终端D终端E终端FMACAMACBMACCMACDMACEMACF树形网络任何一段链路发生故障，就有可能使一部份终端无法和网络中的其他终端通信。生成树协议路由和交换技术消除网桥之间的环路；当因为链路故障，影响网桥之间连通性时，通过启动消除环路时被阻塞的端口，重新保证网桥之间的连通性。三、生成树协议的由来和发展链路发生故障生成树协议路由和交换技术3.2STP工作原理本讲主要内容STP基本概念；STP基本步骤；端口状态；定时器；STP构建生成树过程；STP容错功能；STP例题解析。生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念BID=1BID=2BID=3BID=4根网桥：指定端口：根端口：其他端口121234123123先介绍与该生成树有关的一些基本概念。生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念网桥标识符（BID）由两字节的网桥优先级和网桥的MAC地址组成。网桥优先级可以手工配置。网桥优先级网桥MAC地址26网桥标识符生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念早期版本的端口标识符（PID）由8位端口优先级和8位端口号组成。目前，为了支持大数量端口的网桥，将端口优先级降为4位，将端口号扩展为12位。端口标识符端口号端口优先级1B1B生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念作为由生成树协议构建的生成树中的树根的网桥称为根网桥。生成树中的根网桥是网络中网桥标识符最小的网桥。生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念端口的路径开销由端口的传输速率决定，端口传输速率与端口路径开销之间关系如表所示。端口传输速率端口路径开销10Mb/s100100Mb/s191Gb/s410Gb/s2生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念网桥通往根网桥路径所经过的端口的路径开销之和称为该通往根网桥路径的根路径开销。在网桥之间存在环路的情况下，某个网桥有着多条通往根网桥的路径，每一条通往根网桥的路径有着各自的根路径开销。生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念网桥中的某个端口如果符合以下条件，称为根端口。该网桥其中一条通往根网桥的路径经过该端口；网桥所有通往根网桥的路径中，经过该端口的路径的根路径开销最小。除了根网桥，每一个网桥有着唯一的根端口。生成树协议成功构建生成树后，每一个网桥只允许存在一条经过根端口的通往根网桥的路径。生成树协议路由和交换技术一、STP基本概念生成树协议成功构建生成树后，网桥用于向网段转发来自根网桥的MAC帧的端口称为指定端口。生成树协议路由和交换技术二、STP基本步骤FCS目的MAC地址源MAC地址类型数据网桥MAC地址BPDU01:80:C2:00:00:00根网桥标识符根路径距离发送网桥标识符发送端口标识符•根网桥标识符是发送该BPDU的网桥学习到的根网桥的网桥标识符，任何一个网桥将通过接收到的BPDU学习到的网桥标识符最小的网桥作为根网桥。•根路径距离是发送该BPDU的网桥至根网桥的最短路径的距离。•发送网桥标识符是发送该BPDU的网桥的网桥标识符。•发送端口标识符是发送该BPDU的网桥输出该BPDU的端口的端口标识符。生成树协议路由和交换技术二、STP基本步骤选举根网桥初始时，每一个网桥将自己作为根网桥，定时向其他网桥发送以自己的网桥标识符为根网桥标识符的BPDU。每一个网桥一旦接收到根网桥标识符小于自己的网桥标识符的BPDU，停止发送BPDU。每一个网桥在接收到的所有BPDU中，选择值最小的根网桥标识符作为该网桥选举的根网桥的网桥标识符。生成树协议路由和交换技术二、STP基本步骤网桥在所有接收到BPDU的端口中选择根端口的算法如下。（1）比较接收到BPDU中的根网桥标识符；（2）比较根路径开销；（3）比较接收到BPDU中的发送网桥标识符；（4）比较接收到BPDU中的发送端口标识符。生成树协议路由和交换技术二、STP基本步骤如果满足以下条件之一，该端口被网桥指定为指定端口。BPDU中的根网桥标识符大于该端口的根网桥标识符。BPDU中的根网桥标识符等于该端口的根网桥标识符，但BPDU中的根路径开销大于该端口的根路径开销。BPDU中的根网桥标识符等于该端口的根网桥标识符，BPDU中的根路径开销等于该端口的根路径开销，但BPDU中的发送网桥标识符大于该端口所在网桥的网桥标识符。BPDU中的根网桥标识符等于该端口的根网桥标识符，BPDU中的根路径开销等于该端口的根路径开销，BPDU中的发送网桥标识符等于该端口所在网桥的网桥标识符，但BPDU中的发送端口标识符大于该端口的端口标识符。生成树协议路由和交换技术二、STP基本步骤BPDU中增加了BPDU传输时延（MessageAge）字段，BPDU在该字段中累计经过链路传输的时延和触发非根网桥发送端口BPDU所需要的时延，一旦累计时延超过BPDU最大存活时间（MaxAge），网桥就丢弃该BPDU，不再由该BPDU触发端口BPDU的传输过程。生成树协议路由和交换技术三、端口状态（1）关闭状态当网桥端口状态为关闭状态（Disabled）时，该端口物理上与网络分离。（2）阻塞状态当网桥端口状态为阻塞状态（Blocking）时，该端口只允许接收并处理BPDU。STP通过将一些端口的状态转换成阻塞状态，将网桥间存在环路的网状结构转变为树形结构。生成树协议路由和交换技术三、端口状态（3）侦听状态当网桥端口状态为侦听状态（Listening）时，该端口不允许输入输出数据帧，但可以输入输出BPDU。侦听状态（Listening）是一种过渡状态，网桥各个端口在这一阶段完成根网桥、根端口和指定端口的选举过程。生成树协议路由和交换技术三、端口状态（4）学习状态当网桥端口状态为学习状态（Learning）时，该端口不仅可以输入输出BPDU，且允许接收数据帧，根据数据帧的源MAC地址建立转发表，但不允许转发数据帧。学习状态（Learning）也是一种过渡状态。生成树协议路由和交换技术三、端口状态（5）转发状态当网桥端口状态为转发状态（Forwarding）时，该端口不仅可以输入输出BPDU，且允许正常接收、转发数据帧。只有根端口和指定端口才能进入这种状态。生成树协议路由和交换技术三、端口状态关闭状态阻塞状态侦听状态学习状态转发状态①②②②②③④④④⑤⑤引发端口状态发生改变的条件①：开启端口②：关闭端口③：端口被指定为根端口或指定端口④：端口不再是根端口或指定端口⑤：转发延迟时间到端口状态迁移过程生成树协议路由和交换技术三、端口状态如果端口是开启的，启动STP后，端口状态是侦听状态。如果端口状态是关闭状态，一旦开启该端口，端口状态转变为阻塞状态。如果端口状态是学习状态，且在转发延迟时间内一直作为根端口或指定端口，在转发延迟时间定时器溢出时，端口状态转变为转发状态。一旦该端口不再是根端口或指定端口，端口状态转变为阻塞状态。如果端口状态是转发状态，一旦该端口不再是根端口或指定端口，端口状态转变为阻塞状态。如果端口状态是阻塞状态，一旦该端口被指定为根端口或指定端口，端口状态转变为侦听状态。生成树协议路由和交换技术四、定时器1．BPDU最大存活时间定时器（MaxAge）定时器初值为手工配置的网桥最优BPDU和端口最优BPDU的最大存活时间，每当接收到网桥最优BPDU和端口最优BPDU时，复位该定时器。一旦该定时器溢出，表示原有的网桥最优BPDU和端口最优BPDU无效。生成树协议路由和交换技术四、定时器2．间隔时间定时器（HelloTime）定时器初值为手工配置的根网桥从所有非阻塞端口发送BPDU的时间间隔。每当该定时器溢出，根网桥通过所有非阻塞端口发送端口BPDU。3．转发时延定时器（ForwardDelay）定时器初值是手工配置的BPDU从根网桥逐级中继到最外围网桥所需要的时间。一旦该定时器溢出，将导致端口状态发生迁移。生成树协议路由和交换技术四、定时器2．间隔时间定时器（HelloTime）定时器初值为手工配置的根网桥从所有非阻塞端口发送BPDU的时间间隔。每当该定时器溢出，根网桥通过所有非阻塞端口发送端口BPDU。3．转发时延定时器（ForwardDelay）定时器初值是手工配置的BPDU从根网桥逐级中继到最外围网桥所需要的时间。一旦该定时器溢出，将导致端口状态发生迁移。生成树协议路由和交换技术选定根网桥（BID=1）；每一个网桥建立至根网桥的最短根路径，即指定根端口；和最短根路径无关的链路阻塞其中一个端口。五、STP构建生成树过程BID=1BID=2BID=3BID=4根网桥：指定端口：根端口：其他端口121234123123生成树协议路由和交换技术五、STP构建生成树过程确定根网桥：最小网桥标识符的网桥；确定最短根路径距离：网桥到达根网桥的最短路径；确定根端口：网桥连接通往根网桥最短路径的端口；确定指定端口：如果一条链路连接2个或以上端口，且这些端口位于不同网桥时，如果这些网桥的根路径距离不同，确定根路径距离最小的网桥为指定网桥，位于指定网桥的端口为指定端口。如果多个端口所在网桥的根路径距离相同，选择标识符较小的网桥为指定网桥，位于指定网桥的端口为指定端口。当多个端口位于同一网桥时，选择标识符较小的端口为指定端口。生成树协议路由和交换技术六、STP容错功能MAC地址转发端口MACA3MACB1MACC1MACD2BID=1网桥转发表MAC地址转发端口MACA1MACB5MACC2MACD1BID=2网桥转发表MAC地址转发端口MACA2MACB2MACC2MACD3BID=3网桥转发表MAC地址转发端口MACA1MACB1MACC4MACD1BID=4网桥转发表354终端AMACA终端BMACB3终端CMACC终端DMACD121234124123BID=1BID=2BID=3BID=4根网桥：指定端口：根端口：其他端口生成树协议路由和交换技术六、STP容错功能1．定期维护网络拓扑结构端口状态稳定后，根端口和指定端口进入转发状态，输入输出数据帧。并通过地址学习建立转发表。既非根端口，又非指定端口的其他端口进入阻塞状态，只能接收BPDU。生成树协议路由和交换技术六、STP容错功能2．容错过程如果BID=1网桥与BID=2网桥之间的链路发生故障。网络拓扑结构转变为如图所示。354终端AMACA终端BMACB3终端CMACC终端DMACD121234124123：指定端口：根端口：其他端口BID=1BID=2BID=3BID=4根网桥生成树协议路由和交换技术六、STP容错功能网桥一旦检测到以下情况之一，表明网络拓扑结构发生变化。某个网桥至少有一个指定端口，且网桥中某个端口的状态从其他状态转变为转发状态；网桥中某个端口的状态由转发状态或学习状态转变为阻塞状态。生成树协议路由和交换技术六、STP容错功能配置BPDU（TC）配置BPDU（TC）配置BPDU（TC）配置BPDU（TC）配置BPDU（TCA+TC）BID=4BID=2BID=3BID=1TCNBPDUTCNBPDUTCNBPDU配置BPDU（TCA+TC）MaxAge+ForwardDelay配置BPDU（TC）配置BPDU（TC）配置BPDU（TCA）配置BPDU（TC）生成树协议路由和交换技术六、STP容错功能TC和TCA是配置BPDU中的两个标志位。TCA用于