Linux STP介绍
1. 介绍
STP(Spanning Tree Protocol)即生成树协议，标准为IEEE802.1D-1998
STP是一种二层冗余技术，利用STA算法构建一个逻辑上没有环路的树形网络拓扑结构，并且可以通过一定的方法实现路径冗余
2. 概念
2.1 角色
生成数有如下角色
- 根桥(Root Bridge) RB, 桥ID最小的桥
- 根端口(Root Port) RP, 该端口到达根桥的路径是该端口所在网桥到达根桥的最佳路径
- 指定端口(Designated Port)DP, 每一个网段选择到根桥最近的网桥作为指定网桥, 该网桥到这一网段的端口为指定端口
- 可选端口(Alternated Port)AP, 即阻塞端口, 既不是指定端口, 也不是根端口的端口
2.2 端口状态
STP端口状态有如下几种
- 断开(Disable): 不收发任何报文
- 阻塞(Blocking): 不接收或转发数据, 接收但不发送BPDU, 不进行地址学习
- 监听(Listening): 不接收或转发数据, 接收并发送BPDU, 不进行地址学习
- 学习(Learning): 不接收或转发数据, 接收并发送BPDU, 开始地址学习
- 转发(Forwarding): 接收并转发数据, 接收并发送BPDU, 进行地址学习
一个网桥开启STP后，端口会经历如下过程:
Blocking(20s) –> Listening(15s) –> Learning(15s) –> Forwarding
这样大约50秒的时间非根端口转变成为根端口或指定端口
2.3 相关参数
2.3.1 网桥参数
Bridge Identifier: 标识本网桥, 由网桥的优先级(2 bytes)和网桥的MAC(6 bytes)组成 Root Path Cost: 从非根桥到根桥的路径开销的总和 Root Port: 根端口, RP Max Age: 在协议的配置信息被丢弃之前收到的配置信息保留的时间(默认20s) Hello Time: 对一个想变成桥或者是根桥的桥在固定的时间发送的配置BPDU信息(默认2s) Forward Delay: 从Listening到Learning和从Learning到Forwarding花费的时间(默认15s) Bridge Max Age: 桥作为根或想成为根桥的桥标识的它作为根桥的最大年龄 Bridge Hello Time: 非根桥向根桥发送TCN BPDU的时间间隔 Bridge Forward Delay: 和上面介绍的Forward Delay值一样 Topology Change Detected: 用来标识网络拓扑结构改变的布尔变量 Topology Change: 参数设置表示拓扑改变 Topology Change Time: 根桥产生配置消息指明拓扑改变的时间间隔 Hold Time: 在这个时间间隔至少应该收到一个配置BPDU信息
2.3.2 网桥时间参数
Hello Timer: 根桥定时传输配置BPDU信息的时间间隔
Topology Change Notification Timer: 如果没收到拓扑改变回应消息便会定时发送拓扑改变通知
Topology Change Time: 定时发送拓扑改变通知来通知桥进行重配2.3.3 端口参数
Port Identifier: 桥的端口ID, 由优先级和端口号组成
Port State: 端口状态
Path Cost: 本端口的路径开销(see tips below)
Designated Root: 根桥的桥ID
Designated Cost: 从这个端口到根桥的路径开销
Designated Bridge: 指定桥的桥ID
Designated Port: 指定桥中和它交互的端口ID
Topology Change Acknowledge: 设置来回应拓扑改变通知
Configuration Pending: 设置表示在Holdtimer超时后应该传输配置BPDU信息
Change Detection Enabled: 表示是否理会拓扑改变通知2.3.4 端口时间参数
Message Age Timer: 表示超时丢弃协议信息的时间
Forward Delay Timer: 和端口状态改变的时间值有关
Hold Timer: 在这个时间间隔至少应该收到一个配置BPDU信息tips: 关于路径开销，可参考<IEEE802.1t路径开销列表>
通常根据端口的带宽不同，Path Cost值也不同：
• 10 Mb/s: 100
• 100 Mb/s: 19
• 1000 Mb/s: 4
• 10000 Mb/s: 2
2.4 BPDU
2.4.1 介绍
STP的数据单元称为BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
BPDU是网桥间信息交流的报文，目标MAC地址为：01-80-C2-00-00-00
网桥之间定期发送BPDU包，交换STP配置信息，以便能够对网络的拓扑、花费或优先级的变化做出及时的响应
BPDU报文在直连的两个网桥或多个网桥内交换，不能被转发
没有运行STP协议的网桥将把BPDU报文当作普通业务报文转发
BPDU被封装在LLC的Payload中
下面是一个C BPDU
2.4.2 类型
BPDU有三种类型
- Configuration BPDU: 即C BPDU, 包含配置信息的BPDU包
- Topology Change Notification BPDU: 即TCN BPDU, 当检测到网络拓扑结构变化时发送拓扑变化通知BPDU
- Topology Change Notification Acknowledgment: 即TCA BPDU(TCA flag置1的C BPDU)
BPDU报文格式如下
2.4.3 发送与接收
C BPDU:
只有RB发送C BPDU，它有一个Hello Timer，当这个定时器expire的时候产生一个BPDU的包
而其他的non-RB在他们的RP中收到这些包之后进行中继，中继的过程中对BPDU中的各项值根据自身的情况进行更新
TCN BPDU:
当某个non-RB检测到拓扑变化后，该br会通过RP向RB方向发送TCN BPDU，其他br从它的DP接收到TCN BPDU时，首先从该DP上回应一个TCA BPDU，然后将该TCN BPDU从RP向RB方向发送, 这样TCN BPDU最后会到达RB
RB则会发出一个C BPDU(topology change置1)，表示发现拓扑变化，这个包会被所有br转发，传遍全网，这样所有br都得知拓扑变化，然后做出相应的动作(修改ageing timer: 5m->15s)
该过程如下图所示:
TIP: C BPDU是从RB往树的各个方向传送；TCN BPDU则是从树的某个br上行直至RB
2.5 选举
2.5.1 根桥的选举
网桥初始化以后，都认为自己是Root Bridge，在它认为的指定端口上，周期性的发送C BPDU直到收到BridgeID更小的网桥信息，才直到自己不是根网桥
或者由于配置管理(端口使能，设置网桥优先级等)，端口状态改变，也会引起Root Bridge的重新选举
2.5.2 根端口的选择
非根桥的其他网桥将各自选择一条到Root Bridge代价最小的路径，相应端口的角色就成为根端口
2.5.3 指定端口的选择
根端口选择以后，选择到根桥路径开销最小的端口作为指定端口
2.5.4 可选端口的选择
端口enable，参与选举的拓扑计算，既不是根端口，也不是指定端口，那就是可选端口了
2.5.5 选择过程
选举过程如下所示
选举根桥 -> 根端口 -> 指定端口 -> 其余为阻塞端口
生成树经过一段时间(默认值是30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
STP BPDU仍然会定时从各个网桥的指定端口发出，以维护链路的状态
如果网络拓扑发生变化，生成树就会重新计算，端口状态也会随之改变
TIP:
网桥接受BPDU时开销值增加，发送BPDU时开销值不变
只有根桥是没有根端口的，根桥的所有端口都是指定端口
选举根端口，比较接收的BPDU;
选举指定端口，比较发送的BPDU.
3. 实现
3.1 数据结构
net_bridge: 网桥STP相关参数
struct net_bridge { ... /* STP */ bridge_id designated_root; /* RB ID */ bridge_id bridge_id; /* ID */ u32 root_path_cost; /* 路径开销 */ unsigned long max_age; /* 配置信息保留时间 */ unsigned long hello_time; unsigned long forward_delay; unsigned long bridge_max_age; unsigned long ageing_time; unsigned long bridge_hello_time; unsigned long bridge_forward_delay; u8 group_addr[ETH_ALEN]; u16 root_port; /* 本网桥的根端口 */ enum { BR_NO_STP, /* no spanning tree */ BR_KERNEL_STP, /* old STP in kernel */ BR_USER_STP, /* new RSTP in userspace */ } stp_enabled; unsigned char topology_change; unsigned char topology_change_detected; struct timer_list hello_timer; struct timer_list tcn_timer; struct timer_list topology_change_timer; struct timer_list gc_timer; };
net_bridge_port: 网桥端口STP相关参数
struct net_bridge_port { /* STP */ u8 priority; u8 state; u16 port_no; unsigned char topology_change_ack; unsigned char config_pending; port_id port_id; /* 本端口的端口ID */ port_id designated_port; /* 发送当前BPDU包的端口ID */ bridge_id designated_root; /* 根桥的网桥ID */ bridge_id designated_bridge; /* 发送当前BPDU包的网桥ID */ u32 path_cost; /* 本端口的路径开销 */ u32 designated_cost; /* 到根桥的路径开销 */ unsigned long designated_age; struct timer_list forward_delay_timer; struct timer_list hold_timer; struct timer_list message_age_timer; };
br_config_bpdu: BPDU包
struct br_config_bpdu { unsigned int topology_change:1; unsigned int topology_change_ack:1; bridge_id root; int root_path_cost; bridge_id bridge_id; port_id port_id; int message_age; int max_age; int hello_time; int forward_delay; };
可以发现，br_config_bpdu和C BPDU报文格式对照可以发现，缺少 Protocol ID、Version、Message Type和Flags
因为Message Type基本在使用的时候可以确定，而Flags则可由topology_change和topology_change_ack来确定
具体可参考函数br_send_config_bpdu()的实现
3.2 STP模块
3.2.1 基本使用
/* * 新增网桥 * br_dev_setup() */ # brctl addbr br0 /* * 向网桥新增端口 * br_add_if() -> new_nbp() -> br_init_port() */ # brctl addif br0 eth0 /* * 启用和禁用STP * on -> br_stp_start() -> br_port_state_selection() * off -> br_stp_stop() */ # brctl stp br0 <on|off>
3.2.2 数据通路
static const struct stp_proto br_stp_proto = { .rcv = br_stp_rcv, }; static int __init br_init(void) { stp_proto_register(&br_stp_proto); ...... }
参考:
<Linux Bridge STP HOWTO>
<Spanning Tree Protocol (STP)>
<Linux的网桥中的STP的实现分析初步>
