STP&RSTP技术原理

12本章通过回顾交换机的工作过程，了解交换网络中的环路引起的问题，理解为什么要使用STP（生成树协议）。3交换机基于MAC地址表进行转发，MAC地址表是目的MAC地址和目的端口的对应关系。1：假设PCA向PCB发送一个数据帧，此数据帧的目的MAC地址设置为PCB的MAC地址00-0D-56-BF-88-20，交换机SWA接收到此数据帧之后，需要查找MAC地址表，根据MAC地址表中的记录，将数据帧从E0/3口向外转发。交换机在转发数据帧的时候，对数据帧不做任何修改，如果交换机接收到的是一个广播数据帧，则向所有端口转发。2：交换机SWB接收到了此数据帧之后，查找MAC地址表，根据MAC地址表中的记录，将数据从E0/6端口上转发出去，此次转发仍然不会对数据帧做任何修改。3：PCB接收到数据帧之后，查看目的MAC地址，由于目的MAC地址为接收者本身，所以PCB处理此数据帧并上送上层协议处理数据帧所携带的数据。4如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播数据帧，则向所有其它端口转发，而且交换机在转发数据帧的时候，对数据帧不做任何修改，因此，如果交换网络中有环路，则广播帧会被无限期的转发，形成广播风暴。5交换机根据MAC地址表转发，但是MAC地址表在交换机启动时是空的，交换机有一个学习MAC地址表的过程。交换机是根据接收到的数据帧的源地址和接收端口的对应关系学习MAC地址表的。1：假设PCA向PCB发送一个数据帧。在此数据帧中，目的MAC地址是PCB的MAC地址00-0D-56-BF-88-20，源地址是PCA的MAC地址00-0D-56-BF-88-10。当交换机SWA收到此数据帧之后，检查数据帧的源地址，并将源地址和接收端口的对应关系添加到MAC地址表中，形成目的地址和目的端口的对应关系。2：交换机SWB收到此数据帧之后，同样将源地址的接收端口的对应关系添加到MAC地址表中，形成一个MAC地址表项。3：PCB收到数据帧之后，处理数据帧。6交换机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。PCA向外发送一个数据帧，假设此数据帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWA收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-0D-56-BF-88-10，对应端口为E0/2。由于SWA的MAC地址表中没有对应此数据帧目的MAC地址的表项，则SWA将此数据帧同时向E0/3和E0/4端口上转发。由于SWB的MAC地址表中也没有对应此数据帧目的MAC地址的表项，则从E0/5接口接收到的数据帧会被从E0/6接口发送回SWA。SWA从E0/4接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，00-0D-56-BF-88-10，对应端口为E0/4。不但造成MAC地址表不稳定，而且还生成了错误的表项。7此页标题禁止有多级标题，更不要出现所在章节的名称。此页标题要简练，能直接表达出本页的内容。内容页可以除标题外的任何版式，如图、表等。该页在授课和胶片＋注释中都要使用。8本章介绍生成树计算的基本过程，理解生成树协议中的基本概念，包括交换机角色，端口角色，端口状态等内容。9此页标题禁止有多级标题，更不要出现所在章节的名称。此页标题要简练，能直接表达出本页的内容。内容页可以除标题外的任何版式，如图、表等。该页在授课和胶片＋注释中都要使用。10为了计算生成树，交换机之间需要交换相关信息和参数，这些信息和参数被封装在配置BPDU（ConfigurationBridgeProtocolDataUnit）中，在交换机之间传递。BPDU是指桥接协议数据单元，泛指交换机之间运行的协议交互信息时使用的数据单元。配置BPDU是BPDU的一种。生成树计算的第一步是选举根交换机，根交换机的选举基于交换机标识（BridgeID）。交换机标识由两部分组成：两字节长度的交换机优先级和六字节长度的MAC地址。交换机优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。网络中交换机标识最小的成为根交换机，首先比较优先级，如果优先级相同则比较MAC地址，值越小越优先。本例中，三个交换机的优先级是相同的，由于SWA的MAC地址值最小，因此SWA为根交换机。11STP计为每个非根交换机选举根端口（RootPort）。交换机的每个端口都有一个端口开销（PortCost）的参数，此参数表示数据从该端口发送时的开销值，也即出端口的开销。STP认为从一个端口接收数据是没有开销的。端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小，VRP平台中，百兆端口的开销值为200。从一个非根交换机到达根交换机的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和。根端口是指从一个非交换机到根交换机总开销最小的路径所经过的本地端口。这个最小的总开销值称为交换机的根路径开销（RootPathCost）。如果这样的端口有多个，则比较端口上所连接的上行交换机的交换机标识，越小越优先，如果端口上所连接的上行交换机的交换机标识相同，则比较端口上所连接的上行端口的端口标识（PortIdentifier），越小越优先。端口标识由两部分组成：一字节长度的端口优先级和一字节长度的端口号。一字节长度的端口优先级是可配置的，默认为128。本例中，假设所有端口都是百兆端口，使用相同的开销值200。12STP为每个网段选出一个指定端口（DesignatedPort），指定端口为每个网段转发发往根交换机方向的数据，并且转发由根交换机方向发往该网段的数据。指定端口所在的交换机称为该网段的指定交换机。为每个选举指定端口和指定交换机的时候，首先比较该网段所连接的端口所属交换机的根路径开销，越小越优先；如果根路径开销相同，则比较所连接的端口所属交换机的交换机标识，越小越优先；如果根路径开销相同，交换机标识也相同，则比较所连接的端口的端口标识，越小越优先。对于根交换机来说，所有端口都是所连网段的指定端口。因此LANA和LANB的指定端口都在SWA上。LAND和LANE都只连接了一个交换机端口，此端口即为指定端口。对于LANC来说，同时连接到两个交换机端口，并且两个交换机的根路径开销相同，因此需要比较两个端口所在交换机的交换机标识，由于SWB的交换机标识比SWC小（MAC地址更小），因此LANC的指定端口在SWB上。既不是根端口也不是指定端口的交换机端口称为AlternatePort（预备端口），预备端口不转发数据，处于阻塞状态。13如前所述，对于物理层和数据链路层可以正常工作，并且开启了STP的交换机端口，STP共定义了三种端口角色，处于转发状态的有根端口和指定端口。底层没有开启的端口称为Disable端口。14在端口角色以及状态的变化过程中，可能会出现临时环路问题。本例中，初始状态下SWA为根交换机，所有的交换机端口中，只有SWD的E0/2端口为AlternatePort，处于不转发状态。假设修改SWC的优先级，使SWC成为新的根交换机，SWD的E0/2接口成为新的根端口，进入转发状态，E0/1接口成为新的指定端口，处于转发状态，SWB的E0/2应当成为新的AlternatePort，进入不转发状态。如果在SWB的E0/2在从转发状态进入不转发状态之前，SWD的E0/2就从不转发状态进入转发状态，则网络中会出现临时环路。解决临时环路的方法是：在一个端口从不转发状态进入转发状态之前（例如SWC的E0/1端口），需要等待一个足够长的时间，以使需要进入不转发状态的端口有足够时间完成生成树计算，并进入不转发状态。151：端口被选为指定端口（DesignatedPort）或根端口（RootPort）；2：端口被选为预备端口（AlternatePort）；3：经过ForwardDelay间隔。ForwardDelay默认为15秒。端口被禁用之后进入Disable状态。当一个端口从不转发状态进入转发状态之前需要等待两次ForwardDelay间隔（后文详细解释端口状态变换），以解决前文所述可能的临时环路问题。16当端口正常启用之后，端口首先进入Listening状态，开始生成树的计算过程。如果经过计算，端口角色需要设置为预备端口（AlternatePort），则端口状态立即进入Blocking；如果经过计算，端口角色需要设置为根端口（RootPort）或指定端口（DesignatedPort），则端口状态在等待ForwardDelay之后从Listening状态进入Learning状态，然后继续等待ForwardDelay之后，从Learning状态进入Forwarding状态，正常转发数据帧。17物理拓扑如图所示，配置SWA的Priority为4096、SWB的Priority为8192、SWC的Priority为32678，使SWA成为根交换机，SWB成为LANC的指定交换机。18stp{enable|disable}stp命令用来启动或关闭交换机全局或端口的STP功能，缺省情况下，交换机上的STP功能处于关闭状态。stpmode{stp|rstp|mstp}stpmode命令用来设定交换机的STP运行模式，缺省情况下，交换机的运行模式为RSTP模式。关于RTSP和MSTP技术，将在后续课程中介绍，本课程只介绍STP技术。stppriorityprioritypriority：交换机的优先级，取值0～61440，步长为4096，即交换机可以设置16个优先级取值，如0、4096、8192等。stppriority命令用来配置交换机的优先级，缺省情况下，交换机优先级取值为32768。19全局信息中根交换机和自身的交换机标识不同，标识自身是一个非根交换机。20STP端口信息显示：此端口状态为Forwarding；此端口角色为RootPort（根端口）；端口默认优先级为128；此端口所连网段的指定交换机为4096.00e0-fc41-4259，标识SWA。21本章介绍交换机之间发送的，用于计算生成树的配置BPDU，以及对配置BPDU的处理过程。22用于计算生成树的各种信息和参数被封装在配置BPDU（ConfigurationBridgeProtocolDataUnit）中在交换机之间发送。配置BPDU使用标准LLC格式封装在以太网数据帧中。当配置BPDU只用于计算生成树，不用于传递拓扑改变信息（第四章中详细描述）的时候：ProtocolIdentifier（协议标识），ProtocolVersionIdentifier（协议版本标识）和BPDUType（BPDU类型）Flags（标志）四部分设置为全0。RootIdentifier，RootPathCost，BridgeIdentifier和PortIdentifier四部分用于检测最优的配置BPDU，进行生成树计算。MessageAge随时间增长而变大；MaxAge默认为20秒，如果MessageAge达到MaxAge，则此配置BPDU被认为已经过期。HelloTime默认为2秒，也即在指定端口上，配置BPDU每隔两秒发送一次。ForwardDelay默认为15秒。23此表格列出了包含在配置BPDU中的四个与检测最优配置BPDU相关的参数以及相关描述。端口上的参数如前所述进行初始化之后，开始比较在端口上所接收到的配置BPDU和端口参数中的记录，如果端口参数中记录的更优先（表中所列出的比较项均为值越小越优先），则丢弃配置BPDU，如果配置BPDU中记录的更优先，则对端口参数做如下修改：端口参数中的DesignatedRoot、DesignatedCost、DesignatedBridge和DesignatedPort分别设置成此配置BPDU中的RootIdentifier、RootPathCost、BridgeIdentifier和PortIdentifier。24本例中：SWA为网络中的原有根交换机（Root），SWC为刚加入到该网络中的新交换机。SWC初始化全局参数为：Designate