网络工程设计CH2-生成树协议

生成树协议内容1冗余拓扑结构概述2STP基本机制3STP增强机制4RSTP机制5MSTP机制6STP的应用设计与配置1冗余拓扑结构概述STP是LAN交换技术的重要项目。STP服务是园区网的基础逻辑构件。STP是园区网设计的重点内容之一。1.冗余拓扑结构使用的原因2.冗余交换（桥接）拓扑结构带来的问题1.冗余拓扑结构使用的原因冗余拓扑----使用多于正常情况下的连通资源（设备、接口、链路）形成的网络拓扑结构。消除单点故障-----提高容错性、可靠性是网络建设的主要目标之一。故障故障2.冗余交换（桥接）拓扑结构带来的问题冗余链路：出现物理环路。环路造成：a.广播风暴b.帧的反复重传和多个副本c.MAC地址表的不稳定等问题。a.广播风暴发送一个广播帧广播风暴b.帧的反复重传和多个副本HUBHUBXY交换机A交换机B单播c.MAC地址表的不稳定HUBHUBXY交换机A交换机B第一帧环路问题的解决方法---使用STP协议生成无环树主要链路正常时，断开备份链路主要链路出故障时,自动启用备份链路HUBHUBXY交换机A交换机B单播主链路备份链路2STP基本机制1.STP概念2.生成树算法3.生成树协议端口的状态1.STP概念生成树协议（spanning-treeprotocol）由IEEE802.1d标准定义STP持续探测网络，以便在链路、交换机失效或增加时，通过SPA自动重新配置它们的端口，自动切换到备份链路，保证网络的正常通信。STP的作用是通过SPA（生成树算法）在网络中发现物理环路时，并自动地在逻辑上阻塞一个或多个冗余端口，从而获得无环路的拓扑。2.生成树算法IEEE802.1D标准定义了的STP。STP通过网桥协议数据单元（BPDU）传递STA用于计算生成树的有关信息。BPDU：二层报文。目的MAC地址是组播地址：0188-C200-0000包括用于计算生成树的四个参数：RootBridgeID（BID）---本交换机认为的根桥IDRootPathCost---本交换机认为的根路径开销BridgeID---本交换机的桥IDPortID---发送该BPDU的端口ID等信息生成树工作机制1.网络中选择了一个交换机为根交换机（RootBridge）；2.每个交换机都计算出了到根交换机（RootBridge）的最短路径；3.所有非根交换机都有一个根口（RootPort），即提供最短路径到根交换机（RootBridge）的端口；4.每个LAN都有了指定交换机（DesignatedBridge），位于该LAN与根交换机之间的最短路径中。指定交换机和LAN相连的端口称为指定端口（Designatedport）；6.其他的冗余端口就处于阻塞状态（Blocking或Discarding）。5.根口（Roorport）和指定端口（Designatedport）进入转发Forwarding状态；STP收敛的3个阶段阶段1：选举根桥(RootBridge)。阶段2：选举根端口(RootPorts)。阶段3：选举指定端口(DesignatedPorts)。注意：根端口在交换机内接口间比较并选举；指定端口在交换机的连接端口间比较并选举；收敛就是确定了根桥和所有的根端口及指定端口,就此阻塞冗余端口，消除环路判定最佳路径的四个步骤步骤1：确定根桥(RootBridge)步骤2：计算到根桥的最小路径开销步骤3：确定最小的发送BID(SenderBID)步骤4：确定最小的端口ID(PortID)注意：每次重新确定根桥，就要计算一次最小路径开销，并重新选举根端口和指定端口。最佳路径即经由一串指定端口、根端口到达根桥的路径。步骤3、4只在需要时才启用。收敛过程中的BPDU交换交换机启动每2秒发送BPDUR.BID=BID,R.Cost=0认自为根，并宣告收到来自X更好的BPDU?接收端口存储该更佳BPDU,停发原BPDU以每个收到的最佳BPDU按4个步骤重新计算根桥和最佳路径,修改BPDU参数并转发BPDUNY步骤1：根交换机的选择BridgeID最小的交换机为根交换机；BridgeID：每个交换机唯一的桥ID，由交换机优先级和Mac地址组合而成；交换机优先级和Mac地址越小则BridgeID就越小。比较两个BID的原则如下：假设(s，t)和(u,v)代表两个BID，(优先级，MAC地址)当且仅当:su或s=u且tv时，(s，t)(u,v)。网桥优先级(2字节)MAC地址（6字节）缺省值32768xxxx-xxxx-xxxx步骤2：计算到根桥的最小路径开销---选举根端口a.开销定义：原来链路开销---链路带宽/1000Mbps更新后为：带宽STP开销802.1DSTP开销802.1T4Mbps25010Mbps100200000016Mbps6245Mbps39100Mbps19200000155Mbps14622Mbps61Gbps42000010Gbps22000b.最小根路径开销计算--假设SwA为根交换机19Cost3819SwBSwASwCSwDSwE10019100比较本交换机各端口到达根交换机路径的开销---到达根桥的链路开销之和。Cost11900根端口步骤3：确定最小的发送BID(SenderBID)（阶段2：选举根端口）如果路径开销相同，则比较发送BPDU交换机的BridgeID，见图显然：SwD是根，CostC-A-D=CostC-B-DSwC从SwA和SwB收到BPDU,SwA具有更小的BID则:最佳路径C-A-D,f0/8为根端口。Mac:00d0f80000f1SwCSwBSwDSwAMac:00d0f80000d1Mac:00d0f80000f219191919Mac:00d0f80000f3BID:优先级32768BID:优先级32768BID:优先级32768BID:优先级32768F0/8F0/9步骤4-1：确定最小的端口ID(PortID)（阶段2：选举根端口）如果发送者BridgeID相同（即同一台交换），则比较发送者交换机的portID。则：最短路径C7-A1-D，f0/7为根端口SwCSwBSwDSwAf0/1f0/2Mac:00d0f80000f1Mac:00d0f80000d1Mac:00d0f80000f219191919Mac:00d0f80000f3BID:优先级32768BID:优先级32768BID:优先级32768BID:优先级32768端口端口优先级(1字节)端口编号（1字节）F0/1缺省值1281F0/2缺省值1282f0/7f0/8设(s,t)和(u,v)为两个端口ID,s端口优先级;t:端口号。当且仅当:su或s=u且tv时,(s,t)(u,v)。f0/9步骤4-2：确定最小的端口ID(PortID)（阶段2：选举根端口）如果发送者PortID相同，则比较接收者的portID。最短路径C6-A1-D,f0/6为根端口761SwCSwBSwDSwAHUB8Mac:00d0f80000f1Mac:00d0f80000d1Mac:00d0f80000f219191919Mac:00d0f80000f3BID优先级32768BID优先级32768BID优先级32768BID:优先级32768f0/1f0/2f0/7f0/8f0/92阶段3：选举指定端口与选举根端口同时进行如果每个网段到达根桥只有一条通路,则无环路。指定端口：连接网段并通往根桥的唯一端口，负责发送和接收该网段和根桥之间的流量。指定网桥：指定端口所在的网桥(交换机)。指定端口在交换机的连接端口间比较并选举。基于步骤1：确定根桥(RootBridge)步骤2：计算到根桥的最小路径开销步骤3：确定最小的发送BID(SenderBID)步骤4：确定最小的端口ID(PortID)选举指定端口。SwD.F0/2.R.Cost=0SwA.F0/1.R.Cost=19SwD.F0/1.R.Cost=0SwB.F0/2.R.Cost=19SwA.F0/2.R.Cost=19SwC.F0/8.R.Cost=38SwB.F0/2.R.Cost=19SwC.F0/2.R.Cost=38Mac:00d0f80000f2Mac:00d0f80000f1SwCSwBSwDSwAMac:00d0f80000d119191919Mac:00d0f80000f3BID:优先级32768BID:优先级32768BID:优先级32768F0/8F0/9F0/2F0/2F0/1F0/1F0/2F0/1F0/2消除环路根端口和指定端口为转发非指定端口被阻塞Mac:00d0f80000f1SwCSwBSwDSwAMac:00d0f80000d1Mac:00d0f80000f219191919Mac:00d0f80000f3BID:优先级32768BID:优先级32768BID:优先级32768F0/8F0/9F0/2F0/2F0/1F0/1F0/2F0/1F0/2生成树协议端口的状态BlockListeninglearningForwarding20秒最大生存时间15秒转发延时15秒转发延时阻塞状态交换机初始化或被交换机指定为非根端口、非指定端口后的状态端口行为丢弃从所连接的网段上收到的数据帧或其他端口交换来的帧。接收BPDU并传递给系统模块。不更新地址数据库。不传递从系统模块收到的BPDU。接收并响应网络管理消息。监听状态---过渡状态阻塞状态----〉监听状态首次启动后自认为是根桥运行在监听状态的端口MaximumTime内未收到BPDU时端口行为丢弃所连接网段收到的帧或其他端口交换来的帧。不更新地址数据库。接收BPDU并直接传递给系统模块。接收、处理并传递从系统模块收到的BPDU。接收并响应网络管理消息。三个收敛步骤发生在监听状态学习状态---过渡状态缺省15秒（由转发延迟定时器控制）的监听状态保持延时后进入。端口行为：丢弃所连接网段收到的帧或其他端口交换来的帧。将位置状态包含进自己的地址数据库里。接收BPDU并直接传递给系统模块。接收、处理并传递从系统模块收到的BPDU。接收并响应网络管理消息。学习：减少了数据转发开始后所需的泛洪次数。转发状态缺省15秒（由转发延迟定时器控制）的学习状态保持延时后进入。端口行为：转发从所连接网段上收到的帧。转发从其他端口交换来需要转发的帧。将位置状态信息包含进自己的地址数据库。接收BPDU，并将其直接传递到系统模块。处理从系统模块来的BPDU。接收并响应网络管理消息。STP状态转换图1.端口启动或初始化2.端口停用或失败3.端口被选作根端口或指定端口4.端口被取消根端口或指定端口5.转发状态计时器超时6.PortFast7.UplinkFastBlockListeninglearningForwardingDisabled或Down1222234445567STP定时HelloTime:发送BPDU的时间间隔。缺省:2秒根桥源发，其他转发。ForwardDelay:监听和学习状态的停留时间.缺省:15秒MaxAge：最佳BPDU的最大存储(保留)时间.STP收敛时间30—50秒50秒的情况:阻塞状态端口20(MaxAge)秒未收到BPDU。20+15+15=50。30秒的情况:阻塞状态端口测试到链路故障。15+15=303STP增强机制加速STP收敛,避免对其他协议和应用的影响1.配置STP定时器。要慎重。2.PortFast。配置接入接口或中继接口（连接服务器的中继口）为STPPortFast。switch(config-if)#spanning-treeportfast设备接入端口(初始化）2秒内转换到转发状态。3.UplinkFast交换机有冗余上连口时，配置STPUplinkFast，根端口失效时快速将冗余上连口转换为转发状态4.BackboneFast发现非直连链路故障时，提高收敛速度。PortFas