生成树协议

第章生成树协议第1页，共58页。Contents12.2生成树协议概述212.1交换机中的冗余链路3112.3STP33第2页，共58页。12.1.1冗余备份链路在交换网络中，由于单点（单链路）故障容易导致系统瘫痪，因此引入备份链路。但冗余链路又会造成网络环路，当交换网络中出现环路时，会产生广播风暴、多帧复制和MAC地址 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 不稳定等现象，如图所示。第3页，共58页。广播风暴在局域网中很多的网络协议都采用广播方式进行管理和操作，广播采用广播帧来发送和传递信息，广播帧是向局域网中所有主机，因此容易产生碰撞，为缓解碰撞又要重传更多的数据包，从而耗尽网络带宽，使网络瘫痪。www.themegallery.com第4页，共58页。多帧复制当一台主机收到某个数据帧的多个副本时，使网络协议无从选择，不知选用哪个数据帧。www.themegallery.com第5页，共58页。MAC地址表不稳定图13-3中MAC地址表不稳定的产生过程如下。主机X发送一单点帧给路由器Y路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口0到路由器Y的数据帧在交换机A和B上会泛洪处理交换机A和B都错误学习到主机X的MAC地址对应端口1在多帧复制时，也会导致MAC地址表的多次刷新，这种持续的更新、刷新过程会严重耗用内存资源，影响交换机的交换能力，降低网络的运行效率，严重时耗尽网络资源、导致网络瘫痪。在实际交换网络中，还会产生多重回路，如图所示。第6页，共58页。解决环路的最初思路是，当主要链路正常时，断开备份链路；当主要链路出现故障时，就自动启用备份链路，于是产生了生成树协议。第7页，共58页。12.2生成树协议概述生成树协议同其他协议一样，是随着网络的不断发展而不断更新换代的，生成树协议的发展过程分为三代：第一代生成树协议：STP/RSTP第二代生成树协议：PVST/PVST+第三代生成树协议：MISTP/MSTPcisco在802.1d基础上增加了几个私有的增强协议：portfast、uplinkfast、backbonefast,其目的都在于加快收敛速度。第8页，共58页。12.2.1生成树协议的种类1．基本STP基本STP协议规范为IEEE802.1d，STP基本思路是阻断一些交换机接口，构建一棵没有环路的转发树。第9页，共58页。交换机之间如何进行通信STP利用BPDU(BridgeProtocolDataUnit)和其他交换机进行通信，BPDU中有根桥ID、路径代价、端口ID等几个关键的字段。www.themegallery.com第10页，共58页。三种选举为了在网络中形成一个没有环路的拓扑，网络中的交换机要进行三种选举：（1）选举根桥。（2）选取根端口。（3）选取指定端口。交换机中的接口只有是根端口或指定端口，才能转发数据，其它接口都处于阻塞状态。www.themegallery.com第11页，共58页。交换机的端口状态当网络的拓扑发生变化时，网络会从一个状态向另一个状态过渡，重新打开或阻断某些接口。交换机的端口要经过几种状态：禁用（Disable）、阻塞（Blocking）、监听状态(Listening)、学习状态（Learning）、最后是转发状态(Forwarding)。www.themegallery.com第12页，共58页。2．RSTPRSTP的协议规范为IEEE802.1w目的：减少STP收敛时间而修订的新的协议。接口的角色：根端口、指定端口、备份端口、替代端口。接口的状态：丢弃（Discarding）、学习状态（Learning）、转发状态(Forwarding)。接口还分为：边界接口、点到点接口、共享接口。第13页，共58页。3．PVST当网络上有多个VLAN时，PVST(PerVlanSTP)会为每个VLAN构建一棵STP树。好处：可以独立地为每个VLAN控制哪些接口要转发数据，从而实现负载平衡。缺点：如果VLAN数量很多，会给交换机带来沉重的负担。Cisco交换机默认的模式就是PVST。www.themegallery.com第14页，共58页。4．MSTPMSTP的协议规范为IEEE802.1s在PVST中交换机为每个VLAN都构建一棵STP树，随着网络规模的增加，VLAN的数量也在不断增多，会给交换机带来很大负载、占用大量带宽。MSTP是把多个VLAN映射到一个STP实例上，即为每个实例建立一棵STP树，从而减少了STP树的数量，它与STP、PVST兼容。锐捷交换机默认的模式就是MSTP。www.themegallery.com第15页，共58页。CompanyNamewww.themegallery.com生成树协议的基本概念根端口网桥号非指定端口指定网桥BPDU指定端口根网桥生成树协议有以下基本术语：第16页，共58页。网桥协议数据单元（BPDU），是STP中的“hello数据包”，发送时间间隔：2秒，（可配置），它在网桥之间交换信息。STP就是通过在交换机之间周期发送网桥协议数据单元（BPDU）来发现网络上的环路，并通过阻塞有关端口来断开环路的。1．BPDU（网桥协议数据单元）第17页，共58页。网桥协议数据单元主要包括以下字段：ProtocolID，Version，MessageType，Flag，RootID（根网桥ID），CostofPath（路径开销），BridgeID（网桥ID），PortID（端口ID），计时器包括：MessageAge、MaximumTime、HelloTime、ForwardDelay（传输延迟）。www.themegallery.com第18页，共58页。ProtocolID（2字节）和Version（1字节）是STP相关的信息和版本号，通常固定为0。MessageType（1字节）：分为两种类型，配置BPDU和拓扑变更通告BPDU。Flag（1字节）：与拓扑变更通告相关的状态和信息。RootID（8字节）：根网桥号由2字节优先级和6字节MAC组成。CostofPath：路径开销是从交换机到根桥的方向累计的花费值。www.themegallery.com第19页，共58页。BridgeID：发送自己的网桥ID。PortID：发送自己的端口ID，端口ID由1字节端口优先级和1字节端口ID组成。MaximumTime：当一段时间未收到任何BPDU，生存期达到MaxAge时，网桥则认为该端口连接的链路发生故障，默认20秒。HelloTime：发送BPDU的周期，默认为2秒，ForwardDelay：BPDU全网传输延迟，默认15秒。www.themegallery.com第20页，共58页。2．网桥号网桥号（BridgeID）用于标识网络中的每一台交换机组成：2字节优先级和6字节MAC。优先级：从0-65535，缺省为32768。www.themegallery.com第21页，共58页。3．根网桥具有最小网桥号的交换机将被选举为根网桥，根网桥的所有端口都不会阻塞，并都处于转发状态。4．指定网桥对交换机连接的每一个网段，都要选出一个指定网桥，指定网桥到根网桥的累计路径花费最小，由指定网桥收发本网段的数据包。www.themegallery.com第22页，共58页。5．根端口整个网络中只有一个根网桥，根网桥上的端口都是指定端口，而不是根端口，而在非根网桥上，需要选择一个根端口。根端口是指从交换机到根网桥累计路径花费最小的端口，交换机通过根端口与根网桥通信。根端口（RP）设为转发状态。www.themegallery.com第23页，共58页。6．指定端口每个非根网桥为每个连接的网段选出一个指定端口，一个网段的指定端口指该网段到根网桥累计路径花费最小的端口，根网桥上的端口都是指定端口。指定端口（DP）设为转发状态。7．非指定端口除了根端口和指定端口之外的其他端口称为非指定端口，非指定端口将处于阻塞状态，不转发任何用户数据。www.themegallery.com第24页，共58页。12.3STPSTP起源于DEC公司的“网桥到网桥”协议IEEE802委员会制定了生成树协议的规范802.1d。作用：在冗余链路中，解决网络环路问题。STP通过生成树算法（SPA）生成一个没有环路的网络，当主要链路出现故障时，能够自动切换到备份链路，保证网络的正常通信。STP通过从软件层面修改网络物理拓扑结构，构建一个无环路的逻辑转发拓扑结构，提高了网络的稳定性和减少网络故障的发生率。www.themegallery.com第25页，共58页。12.3.1STP中的选择原则1．根网桥的选举原则在全网范围内选举网桥号（BridgeID）最小的交换机为根网桥，网桥号由交换机优先级和Mac地址组合而成，从而可通过改变交换机的优先级别来改变根网桥的选举。www.themegallery.com第26页，共58页。选举步骤（1）所有交换机首先都认为自己是根；（2）从自己的所有可用端口发送“配置BPDU”，其中包含自己的网桥号，并作为根；（3）当收到其他网桥发来的“配置BPDU”时，检查对方交换机的网桥号，若比自己小，则不再声称自己是根了（不再发送BPDU了）；（4）当所有交换机都这样操作后，只有网络中最小网桥号的交换机还在继续发送BPDU，因此它就成为根网桥了。www.themegallery.com第27页，共58页。2．最短路径的选择（1）首先比较路径开销比较本交换机到达根网桥的路径开销，选择开销最小的路径（2）其次比较网桥号如果路径开销相同，则比较发送BPDU交换机的网桥号（BridgeID）第28页，共58页。2．最短路径的选择（3）其三，比较发送者端口号（PortID）①如果发送者网桥号相同，即同一台交换机，则比较发送者交换机的PortID②PortID：端口号由1字节端口优先级和1字节端口ID组成③端口默认的优先级为128第29页，共58页。2．最短路径的选择（4）最后，比较接收者的端口号（PortID）①如不同链路发送者的BridgeID一致（即同一台交换机），那比较接收者的PortID第30页，共58页。3．选举根端口和指定端口如图13-5所示，一旦选好了最短路径，就选好了根端口和指定端口。第31页，共58页。4．生成树的工作过程（1）首先进行根桥的选举。每台交换机通过向邻居发送BPDU，选出网桥ID最小的网桥作为网络中的根桥。（2）确定根端口和指定端口。计算出非根桥的交换机到根桥的最小路径开销，找出根端口（最小的发送方网桥ID）和指定端口（最小的端口ID）。www.themegallery.com第32页，共58页。4．生成树的工作过程（3）阻塞非根网桥上非指定端口。阻塞非根网桥上非指定端口以裁剪冗余的环路，构造一个无环的拓扑结构。这个无环的拓扑结构是一棵树，根桥作为树干，没裁剪的活动链路作为向外辐射的树枝。在处于稳定状态的网络中，BPDU从根桥沿着无环的树枝传送到网络的各个网段。www.themegallery.com第33页，共58页。5．生成树操作规则每个网络只有一个根桥，根桥上的接口都是指定口每个非根桥只有一个根端口每个段只有一个指定端口，其它接口为非指定口指定端口转发数据，非指定端口不转发数据www.themegallery.com第34页，共58页。12.3.2STP端口的状态生成树经过一段时间（默认值是50秒左右）稳定之后，所有端口要么进入转发状态，要么进入阻塞状态。图13-6显示了生成树端口状态的转换过程，它指出了网络中的每台交换机在刚加电启动时，每个端口都要经历生成树的四个状态：阻塞、侦听、学习、转发。在能够转发用户的数据包之前，端口最多要等50秒时间，20秒阻塞时间（MaxAge）、加15秒侦听延迟时间（ForwardDelay）、加15秒学习延迟时间（ForwardDelay）。第35页，共58页。STP端口的状态（1）阻塞状态Blocking。刚开始，交换机的所有端口均处于阻塞状态。在阻塞状态，能接收和发送BPDU，不学习MAC地址，不转发数据帧。此状态最长时间为20秒。www.themegallery.com第36页，共58页。STP端口的状态（2）侦听状态Listening。在侦听状态，能接收和发送BPDU，不学习MAC地址，不转发数据帧，但交换机向其他交换机通告该端口，参与选举根端口或指定端口。根端口和指定端口将转入到学习状态；既不是根端口也不是指定端口的成为非指定端口，将退回到阻塞状态，此状态最长持续时间为15秒。www.themegallery.com第37页，共58页。STP端口的状态（3）学习状态Learning。在学习状态，接收BPDU，接收数据帧，从中学习MAC地址，建立MAC地址表，但仍不能转发数据帧。www.themegallery.com第38页，共58页。STP端口的状态（4）转发状态Forwarding。在转发状态，正常转发数据帧。www.themegallery.com第39页，共58页。（5）无效状态无效状态不是正常的STP状态，当一个接口处于无外接链路、被管理性关闭时，暂时处于无效状态，并向阻塞状态过渡。通常，在一个大中型网络中，整个网络拓扑稳定为一个树型结构大约需要50秒，因而STP的收敛时间过长。www.themegallery.com第40页，共58页。12.3.3生成树的重新计算在SwitchA和SwitchC之间的连线没有断开时，SwitchA的f0/24、f0/1端口为指定端口；SwitchC的f0/1端口为根端口，f0/2端口为非指定端口，处于阻塞状态。当SwitchA和SwitchC之间的连线断开后，拓扑结构发生改变，生成树重新开始计算如图13-7所示，SwitchC的f0/2端口从非指定端口改变为根端口，生成树为SwitchA→SwitchB→SwitchC。第41页，共58页。12.4MSTP多实例生成树协议的配置12.4.2MSTP的配置举例拓扑图12-5www.themegallery.com第42页，共58页。配置接入层交换机S2126-AS2126-A(config)#spanning-treeS2126-A(config)#spanning-treemodemstpS2126-A(config)#vlan10S2126-A(config)#vlan20S2126-A(config)#vlan40S2126-A(config)#interfacefastethernet0/1S2126-A(config-if)#switchportaccessvlan10S2126-A(config)#interfacefastethernet0/2S2126-A(config-if)#switchportaccessvlan20www.themegallery.com第43页，共58页。S2126-A(config)#interfacefastethernet0/23S2126-A(config-if)#switchportmodetrunkS2126-A(config)#interfacefastethernet0/24S2126-A(config-if)#switchportmodetrunkS2126-A(config)#spanning-treemstconfigurationS2126-A(config-mst)#instance1vlan1,10S2126-A(config-mst)#instance2vlan20,40S2126-A(config-mst)#nameregion1S2126-A(config-mst)#revision1www.themegallery.com第44页，共58页。配置接入层交换机S2126-BS2126-B(config)#spanning-treeS2126-B(config)#spanning-treemodemstpS2126-B(config)#vlan10S2126-B(config)#vlan20S2126-B(config)#vlan40S2126-B(config)#interfacefastethernet0/1S2126-B(config-if)#switchportaccessvlan10S2126-B(config)#interfacefastethernet0/2S2126-B(config-if)#switchportaccessvlan40www.themegallery.com第45页，共58页。S2126-B(config)#interfacefastethernet0/23S2126-B(config-if)#switchportmodetrunkS2126-B(config)#interfacefastethernet0/24S2126-B(config-if)#switchportmodetrunkS2126-B(config)#spanning-treemstconfigurationS2126-B(config-mst)#instance1vlan1,10S2126-B(config-mst)#instance2vlan20,40S2126-B(config-mst)#nameregion1S2126-B(config-mst)#revision1www.themegallery.com第46页，共58页。配置分布层交换机S3550-AS3550-A(config)#spanning-treeS3550-A(config)#spanning-treemodemstpS3550-A(config)#vlan10S3550-A(config)#vlan20S3550-A(config)#vlan40S3550-A(config)#interfacefastethernet0/1S3550-A(config-if)#switchportmodetrunkS3550-A(config)#interfacefastethernet0/23S3550-A(config-if)#switchportmodetrunkwww.themegallery.com第47页，共58页。S3550-A(config)#interfacefastethernet0/24S3550-A(config-if)#switchportmodetrunkS3550-A(config)#spanning-treemst1priority4096S3550-A(config)#spanning-treemstconfigurationS3550-A(config-mst)#instance1vlan1,10S3550-A(config-mst)#instance2vlan20,40S3550-A(config-mst)#nameregion1S3550-A(config-mst)#revision1www.themegallery.com第48页，共58页。配置分布层交换机S3550-BS3550-B(config)#spanning-treeS3550-B(config)#spanning-treemodemstpS3550-B(config)#vlan10S3550-B(config)#vlan20S3550-B(config)#vlan40S3550-B(config)#interfacefastethernet0/1S3550-B(config-if)#switchportmodetrunkS3550-B(config)#interfacefastethernet0/23S3550-B(config-if)#switchportmodetrunkwww.themegallery.com第49页，共58页。S3550-B(config)#interfacefastethernet0/24S3550-B(config-if)#switchportmodetrunkS3550-B(config)#spanning-treemst2priority4096S3550-B(config)#spanning-treemstconfigurationS3550-B(config-mst)#instance1vlan1,10S3550-B(config-mst)#instance2vlan20,40S3550-B(config-mst)#nameregion1S3550-B(config-mst)#revision1www.themegallery.com第50页，共58页。ThankYou!第51页，共58页。配置接入层交换机S2126-1S2126-1(config)#spanning-treeS2126-1(config)#spanning-treemodemstpS2126-1(config)#vlan10S2126-1(config)#vlan20S2126-1(config)#interfacefastethernet0/1S2126-1(config-if)#switchportaccessvlan10S2126-1(config)#interfacefastethernet0/10S2126-1(config-if)#switchportaccessvlan20www.themegallery.com第52页，共58页。S2126-1(config)#interfacefastethernet0/23S2126-1(config-if)#switchportmodetrunkS2126-1(config)#interfacefastethernet0/24S2126-1(config-if)#switchportmodetrunkS2126-1(config)#spanning-treemstconfigurationS2126-1(config-mst)#instance1vlan1,10S2126-1(config-mst)#instance2vlan20S2126-1(config-mst)#nameregion1S2126-1(config-mst)#revision1www.themegallery.com第53页，共58页。配置接入层交换机S2126-2S2126-2(config)#spanning-treeS2126-2(config)#spanning-treemodemstpS2126-2(config)#vlan10S2126-2(config)#vlan20S2126-2(config)#interfacefastethernet0/1S2126-2(config-if)#switchportaccessvlan10S2126-2(config)#interfacefastethernet0/10S2126-2(config-if)#switchportaccessvlan20www.themegallery.com第54页，共58页。S2126-2(config)#interfacefastethernet0/23S2126-2(config-if)#switchportmodetrunkS2126-2(config)#interfacefastethernet0/24S2126-2(config-if)#switchportmodetrunkS2126-2(config)#spanning-treemstconfigurationS2126-2(config-mst)#instance1vlan1,10S2126-2(config-mst)#instance2vlan20S2126-2(config-mst)#nameregion1S2126-2(config-mst)#revision1www.themegallery.com第55页，共58页。配置分布层交换机S3550-CS3550-C(config)#spanning-treeS3550-C(config)#spanning-treemodemstpS3550-C(config)#vlan10S3550-C(config)#vlan20S3550-C(config)#interfacefastethernet0/1S3550-C(config-if)#switchportmodetrunkS3550-C(config)#interfacefastethernet0/2S3550-C(config-if)#switchportmodetrunkwww.themegallery.com第56页，共58页。S3550-C(config)#interfacefastethernet0/10S3550-C(config-if)#switchportmodetrunkS3550-C(config)#spanning-treemst1priority4096S3550-C(config)#spanning-treemstconfigurationS3550-C(config-mst)#instance1vlan1,10S3550-C(config-mst)#instance2vlan20S3550-C(config-mst)#nameregion1S3550-C(config-mst)#revision1www.themegallery.com第57页，共58页。配置分布层交换机S3550-DS3550-D(config)#spanning-treeS3550-D(config)#spanning-treemodemstpS3550-D(config)#vlan10S3550-D(config)#vlan20S3550-D(config)#interfacefastethernet0/1S3550-D(config-if)#switchportmodetrunkS3550-D(config)#interfacefastethernet0/2S3550-D(config-if)#switchportmodetrunkwww.themegallery.com第58页，共58页。