HCIA-Datacom 生成数协议

• 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机网络上产生环路，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差，甚至通信中断。为了解决交换机网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）
• 运行STP协议的设备通过彼此交互信息法系那网路中的环路，并有选择的对某个接口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形接网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降
• RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充，实习了网络拓扑快速收敛

生成树

生成数概念

• 技术背景
  • 二层交换机网络的冗余性与环路
  • 人为错误导致的二层环路
    • 错误的链接设备之间的互联线缆等
    • 人为的配置错误导致
  • 二层环路带来的问题
    • 广播风波
    • MAC地址漂移

初识生成树协议

• 在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（BLOCK），从而打破环路
• 生成树能够动态响应网络拓扑变化调节阻塞接口
  • 交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑接口，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动作出调整

• STP概述
  • STP是一个用于局域网中消除环路的协议
  • 运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路
  • STP在网络中运行后会持续监控网路状态，当网络拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性
  • 由于局域网规模不断增长，生成树协议已经成为当前最重要的局域网协议之一

STP基本概念及工作原理

桥ID

• 桥ID，Bridge ID，BID

  • IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成
  • 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID
  • BID桥优先级占据最高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址
  • 在STP网络中，BID最小的设备会被选举位跟桥

• 跟桥

  • STP的最重要作用之一时在整个交换网络中计算出一棵无环的树
  • 跟桥是一个STP交换网络中的树根
  • STP开始工作后，会在交换网络中选举一个跟桥，跟桥时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
  • 在STP网络中，桥ID最小的设备会被选为跟桥
  • 在BID的比较过程中，首先比较优先级，优先级的值越小，则越优先，拥有的最小优先级值的交换机会成为跟桥；如果优先级相等，那么在比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为跟桥

Cost

• 开销Cost

  • 每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算跟路径开销，也就是到达跟的开销
  • 接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关
  • 接口带宽越大，则Cost值越小
  • 用户可以根据需要通过命令调整接口的Cost

• Cost计算方法

RPC

• 跟路径开销（Root Path Cost）

  • 在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到跟桥的“成本”也即RPC

  • 一台设备从某个接口到达跟桥的RPC等于从跟桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加

Prot ID

• 运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举接口
• 接口ID由两部分构成，高4bit是接口优先级，低12bit是接口编号
• 激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换机上，该值为128，用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级

BPDU

• BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）

  • BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文
  • STP交换机之间会交互BPDU报文，这些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分为两种：
    • 配置BPDU（Configuration BPDU）
    • TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）
  • 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的报文格式

  字节	字段	描述
  2	PID	协议ID，对于STP而言，该字段的值总为0
  1	PVI	协议版本ID。对于STP而言，该字段的值总为0
  1	BPDU Type	指示本BPDU类型，若值为0X00，则表示本报文配置BPDU；若值为0X80，则为Tcn BPDU
  1	Flags	标志，STP只使用了该字段的最高及最低两个比特位，最低位是TC（Topology Change 拓扑变更）标志，最高位是TCA（Topology Change Acknowledgement，拓扑变更确认）标志
  8	Root ID	根网桥的桥ID
  4	RPC	根路径开销，到达根桥的STP Cost
  8	Bridge ID	BPDU发送桥的ID
  2	Prot ID	BPDU发送网桥的接口ID（优先级+接口号）
  2	Message Age	消息寿命，从根网桥发出BPDU之后的秒数，每经过一个网桥都减1，所以它本质上是到达根桥的跳数
  2	Max Age	最大寿命，当一段时间未收到任何BPDU，生存期到达最大寿命时，网桥认为该接口连接的链路发生故障。默认20s
  2	Hello Time	根网桥连续发送的BPUD之间的时间间隔，默认2S
  2	Forward Delay	转发延迟，在侦听和学习状态所停留的时间间隔，默认15S

• 配置BPDU的比较原则

  • 对于STP而言，最重要的工作就是在交换网络中计算出一个无环拓扑。在拓扑计算的过程中，一个非常重要的内容就是配置BPDU的比较。在配置BPDU中，有4各字段非常关键，它们是根桥ID、根路径开销、网桥ID以及接口ID
  • STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU
    • 最小的根桥ID
    • 最小的RPC
    • 最小的网桥ID
    • 最小的接口ID

STP的计算过程

• 在交换网络中选举一个根桥

  • STP在交换网路中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID

  • 网络中拥有的最小桥ID的交换机成为根桥

  • 在一个连续的STP交换网路中只会存在一个根桥

  • 根桥的角色是可抢占的

  • 为了确保交换机网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0

• 在每台非根桥上选举一个根接口

  • 每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举一个接口
  • 非根桥交换机上有且只有一个根接口
  • 当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU的接口
  • 可以形象的理解为，根接口是每台非根桥上朝向根桥的接口

• 在每条链路上选举一个指定接口

  • 根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较
    • 如果前者更优，则该接口为指定接口
    • 如果后者更优，则该接口为非指定接口
  • 一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口

• 非指定接口被阻塞

  • 一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被成为非指定接口
  • STP操作的最后一步是阻塞网络中的非指定接口。这一步完成后，网络中的二层环路就此消除

STP的接口状态

STP的接口状态迁移

• 接口初始化或激活，自动进入阻塞状态
• 接口被选举为根接口或指定接口，自动进入侦听状态
• 转发延迟计时器超时且接口依然为根接口或指定接口
• 接口不再是根接口或指定接口或指定状态
• 接口被禁用或者链路失效

拓扑变化

• 根桥故障（50 S）
• 直连链路故障（30S）
• 非直连链路故障（50S）
• 拓扑改变导致MAC地址表错误
  • TCN BPDU在网络拓扑变化时产生
  • 报文格式：协议表示、版本号和类型
  • 拓扑变化：会使用到配置BPDU中的Flags的TCA和TC位

STP的基础配置

• 配置生成树工作模式
  • stp mode { stp | rstp | mstp }
  • 交换机支持Stp、Rstp、Mstp三种生成树工作模式，默认情况工作模式在MSTP
• 配置根桥
  • stp root primary
  • 配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级
• 备份根桥
  • stp root secondary
  • 配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级
• 配置交换机的STP优先级
  • stp priority prioirty
  • 缺省情况下，交换机优先级取值为32768
• 配置接口路径开销
  • stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | degacy }
  • 配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t（dot1t）标准方法。同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法
  • stp cost cost
  • 设置当前接口的路径开销值
• 配置接口优先级
  • stp prioirty priority
  • 配置接口的优先级。缺省接口下，交换机接口的优先级取值是128
• 启用STP/RSTP/MSTP
  • stp enable

RSTP对STP的改进

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生成树技术进阶

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