Datacom-HCIA-10 生成树


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较差,甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题,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发现网络中的环路,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。

生成树技术概述

技术背景:二层交换机网络的冗余性与环路

技术背景:人为错误导致的二层环路

二层环路带来的问题


BUM帧(Broadcast,Unknown unicast,Multicast)指定广播、未知单播及组播帧

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整阻塞接口


交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构,当网络拓扑结构发生变化时,生成树能感知到这些变化,并且自动做出调整。
因此,生成树既能解决二层环路问题,也能为网络的冗余性提供一种方案。

二层及三层环路

生成树协议在园区网络中的应用位置

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络的状态,当网络出现拓扑变更时,STP能够感知并且进行自动响应,从而使得网络状态适应新的拓扑结构,保证网络可靠性。
由于局域网规模的不断增长,生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。

STP的基本概念及工作原理

STP的基本概念

STP的基本概念: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为根桥。

STP的基本概念:根桥

根桥(Root Bridge)
STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“树”(STP树)。
根桥是一个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根桥,根桥是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最小的设备会被选举为根桥。在BID的比较过程中,首先比较桥优先级,优先级的值越小,则越优先,拥有最小优先级值的交换机会成为根桥;如果优先级相等,那么再比较MAC地址,拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。

STP的基本概念: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主要用于计算根路径开销,也就是到达根的开销。
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。
用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。

STP的基本概念:Cost计算方法


接口Cost是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值,该值存在默认值,与接口的速率有关联,并且设备使用不同的算法时,相同的接口速率对应不同的Cost值。

STP的基本概念:RPC

根路径开销(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”交换机某个接口到根桥的“成本”,也即RPC。
一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。
在本例中,SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。

STP的基本概念:Port ID

接口ID(Port ID,PID)
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指定接口。
接口ID由两部分构成的,高4 bit是接口优先级,低12 bit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。
端口优先级取值范围是0到240,步长为16,即取值必须为16的整数倍

STP的基本概念: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BPDU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分为两种类型:
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

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,有四个字段非常关键,它们是“根桥ID”、“根路径开销”、“网桥ID”以及“接口ID”,这四个字段便是交换机进行配置BPDU比较的关键内容。STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU:

  1. 最小的根桥ID
  2. 最小的RPC
  3. 最小的网桥ID
  4. 最小的接口ID
    在这四条原则中(每条原则都对应配置BPDU中的相应字段),第一条原则主要用于在网络中选举根桥,后面的原则主要用于选举根接口及指定接口。

配置BPDU的转发过程

STP的计算过程

在交换网络中选举一个根桥

STP在交换网络中开始工作后,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。
网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。
在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
根桥的角色是可抢占的。
为了确保交换网络的稳定,建议提前规划STP组网,并将规划为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出一个接口。
非根桥交换机上有且只会有一个根接口。
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。
可以形象地理解为,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称为非指定接口。
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

状态名称 状态描述
禁用(Disable) 该接口不能收发BPDU,也不能收发业务数据帧,例如接口为down
阻塞(Blocking) 该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU,但是会持续侦听BPDU,而且不能收发业务数据帧,也不会进行MAC地址学习
侦听(Listening) 当接口处于该状态时,表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口,但接口依然处于STP计算的过程中,此时接口可以收发BPDU,但是不能收发业务数据帧,也不会进行MAC地址学习
学习(Learning) 当接口处于该状态时,会侦听业务数据帧(但是不能转发业务数据帧),并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习
转发(Forwarding) 处于该状态的接口可以正常地收发业务数据帧,也会进行BPDU处理。接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态

STP的接口状态迁移

拓扑变化 - 根桥故障

根桥故障恢复过程

  1. SW1根桥发生故障,停止发送BPDU报文。
  2. SW2等待Max Age计时器(20 s)超时,从而导致已经收到的BPDU报文失效,又接收不到根桥发送的新的BPDU报文,从而得知上游出现故障。
  3. 非根桥会互相发送配置BPDU,重新选举新的根桥。
  4. 经过重新选举后,SW3的A端口经过两个Forward Delay(15
    s)时间恢复转发状态。
    非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。
    根桥故障会导致50 s左右的恢复时间。

拓扑变化 - 直连链路故障

直连链路故障恢复过程当交换机SW2网络稳定时检测到根端口的链路发生故障,则其备用端口会经过两倍的Forward Delay(15s)时间进入用户流量转发状态。
SW2检测到直连链路物理故障后,会将预备端口转换为根端口。
直连链路故障,备用端口会经过30s后恢复转发状态。

拓扑变化 – 非直连链路故障

非直连链路故障后,SW3的备用端口恢复到转发状态,非直连故障会导致50s左右的恢复时间。

拓扑改变导致MAC地址表错误

如图,SW3的根端口发生故障,导致生成树拓扑重新收敛,在生成树拓扑完成收敛之后,从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为交换机依赖MAC地址表转发数据帧,缺省情况下,MAC地址表项的老化时间是300秒。那么该怎么快速恢复转发?

TCN BPDU在网络拓扑变化的时候产生。
报文格式: 协议标识、版本号和类型。
拓扑变化:会使用到配置BPDU中Flags的TCA和TC位。

STP的基础配置

STP的基础配置命令

  1. 配置生成树工作模式
    [Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }
    交换机支持STP、RSTP和MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol)三种生成树工作模式,默认情况工作在MSTP模式。
  2. (可选)配置根桥
    [Huawei] 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。
  3. (可选)备份根桥
    [Huawei] 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。
  4. (可选)配置交换机的STP优先级
    [Huawei] stp priority priority
    缺省情况下,交换机的优先级取值是32768。
  5. (可选)配置接口路径开销
    [Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }
    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。
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost
    设置当前接口的路径开销值。
    1.(可选)配置接口优先级
    [Huawei-intf] stp priority priority
    配置接口的优先级。缺省情况下,交换机接口的优先级取值是128。
  6. 启用STP/RSTP/MSTP
    [Huawei] stp enable
    使能交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下,设备的STP/RSTP/MSTP功能处于启用状态。

案例1:STP的基础配置

在上述三台交换机上部署STP,以便消除网络中的二层环路。
通过配置,将SW1指定为根桥,并使SW3的GE0/0/22接口被STP阻塞。

SW1的配置如下:

[SW1] stp mode stp
[SW1] stp enable
[SW1] stp priority 0

SW2的配置如下:

[SW2] stp mode stp
[SW2] stp enable
[SW2] stp priority 4096

SW3的配置如下:

[SW3] stp mode stp
[SW3] stp enable
[SW3] stp priority 0

在SW3上查看STP接口状态摘要:

<SW3> display stp brief
MSTID Port Role STP State Protection
0 GigabitEthernet0/0/21 ROOT FORWARDING NONE
0 GigabitEthernet0/0/22 ALTE DISCARDING NONE

生成树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。由于局域网规模的不断增长,生成树协议已经
成为了当前最重要的局域网协议之一。
• 在以太网交换网中部署生成树协议后,如果网络中出现环路,生成树协议通过拓扑计算,可实
现:
▫ 消除环路:通过阻塞冗余链路消除网络中可能存在的网络通信环路。
▫ 链路备份:当前活动的路径发生故障时,激活冗余备份链路,恢复网络连通性。

posted @   Liam-Wu  阅读(33)  评论(0编辑  收藏  举报
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