生成树协议STP.docx
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生成树协议STP
一.STP(SpanningTreeProtocol)(IEEE802.1D)生成树协议
1.在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障,所谓单点失效,指的是由于网络中某一台设备的故障,而影响整个网络的通信。
为了避免单点失效,提高网络的可靠性,可以通过构建一个冗余拓扑来解决。
但是,一个冗余的拓扑,又会给我们的网络造成环路,而产生其它的影响。
为了解决二层环路问题,而设计了SPT协议。
2.当2个Segment之间,只有一个物理设备连接时,就有可能“单点失效”。
3.Segment:
(段的概念)
a.STP:
一段网络介质(网线/光纤)。
b.数据封装:
携带4层报头的用户数据。
c.路由:
一个逻辑子网。
4.避免单点失效的方法就是构造冗余网络。
5.但冗余网络会导致新的问题:
a.多帧复制
b.MAC地址表的翻动
c.广播风暴
6.STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
STP通过判断网络中存在环路的地方,并阻断冗余链路来实现无环网络。
7.STP采用STA(SpanningTreeArithmetic)算法。
STA会在冗余链路中选择一个参考点(生成树的根),将选择到达要的单条路径,同时阻断其他冗余路径。
一旦已选路径失效,将启用其他路径。
二.BPDU(BridgeProtocolDataUnit)
1.STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的,BPDU是直接封装在以太网帧中的。
2.对于参与STP的所有SW,它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息,这种消息就被称为BPDU。
3.BPDU是直接封装在二层的协议,其MAC地址最后封装数为:
00。
(01:
80:
c2:
00:
00:
00)
4.BPDU的功能:
a.选举根桥
b.确定冗余路径的位置
c.通过阻塞特定端口来避免环路
d.通告网络的拓扑变更
e.监控生成树的状态
5.BPDU每2S由根桥发送一次。
最初的网络,每个SW都认为自己是根桥,都会发送BPDU,比较LowestBID,选举出一个根桥,当根桥选出来以后。
此时就只有根桥发送BPDU到每个非根桥的根端口上。
非根桥的根端口只进行转发。
6.BPDU分两种类型:
a.配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出,包括了STP参数,用于进行各种选举。
b.TCN(topologychangenotification拓扑变更通告)BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。
7.配置BPDU包含以下的字段
a.ProtocolID:
固定为0
b.Version:
802.1D(0)
c.MessageType:
(ConfigBPDU=0x00/TCNBPDU=0x80)
d.Flags
e.RootID:
根桥的桥ID
f.CostofPath
g.BridgeID
h.PortID
i.Messageage
j.Maxage
k.Hellotime
l.Forwarddelay
8.TCN(TopologyChangeNotification)BPDU
这种BPDU是交换机检测到拓扑变更时产生的。
只包含下列三个字段
a.ProtocolID
b.Version
c.MessageType:
(ConfigBPDU=0x00/TCNBPDU=0x80)
三.STP的4大工作流程(STP里选举参数都是越小越优)
Onerootbridgepernetwork
Onerootportpernonrootbridge
Onedesignatedportpersegment
Nondesignatedportsareblocked
1.Onerootbridgepernetwork(每个网络只有一个根桥)
a.根桥的选举:
LowestBID(最小的BID)
b.STP为每台SW分配唯一的一个标识符,称为BID(BridgeID)。
BID的组成:
2(BridgePriority优先级)+6(MAC)=8Bytes
默认Priority:
32768(0x8000)
2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号,因为CISCO默认启用PVST
c.每个交换机都有一个基准的MAC地址,用下面的命令可以看到
Sw2#showversion
BaseethernetMACAddress:
00:
0D:
28:
61:
35:
00
交换机的每一个端口都有一个MAC地址,就是以Base(基准)MAC地址加上端口号得到的。
Showinterfacef0/1这一命令可以看到交换机端口的MAC地址
d.查看STP信息--
Sw2#showspanning-tree
Sw3#showspanning-treebrief(低版本用)2900以下的交换机用这一命令
e.PVST(PerVlanStp)
CiscoSW默认为每个VLAN生成一个STP,互不影响。
由于是为不同的VLAN生成不同的生成树。
所以每一台交换机需要为不同的VLAN生成一个不同的桥优先级,所以在CISCO交换机上,交换机在每一个VLAN中的优先级是默认的32768再加上VLAN的号码。
f.可通过以下命令指定一台交换要为根桥:
Sw1(config)#spanning-treevlan1-10rootprimary(24576=0x6000)(建立优先级,成为根桥)
Sw2(config)#spanning-treevlan1-10rootsecondary(28672=0x7000)(备份根桥,防止优先级根桥showdown了)
Sw1(config)#spanning-treevlan1-10priority4096(设置必须是4096的倍数)
2.Onerootportpernonrootbridge(每个非根桥都要选出一个根端口)
a.根端口(RP):
每个非根桥有且只有一个根端口
b.选举RP/DP的方法:
(a).LowestRID(最小的RID)是SW1(根桥)的BID是在网络中没有选出根桥的时候用的
(b).Lowestpathcosttorootbridge(到达根的最小路径开销)交换机上所有接口自己收到的bpdu中包含的路径开销值
(c).lowestsenderBID(最小的发送BID)交换机上的接口收到的bpdu中包含的桥ID最小的
(d).LowestsenderportID当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选
c.PathCost:
根桥发出的COST值是0,在下一交换机的入口处才加上COST值,出口处COST值不变。
10Mbps:
100/ 100Mbps:
19/ 1Gbps:
4/ 10Gbps:
2
Sw1#showinterfacesstatus
Sw1#showspanning-tree
d.Sw1(config-if)#spanning-tree(vlan1)cost22每个VLAN都能生成一个自已的生成树,通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根端口,产生不同的生成树,充分利用了链路
Sw1(config-if)#spanning-treecost22修改所有Vlan的Cost值
e.PortID是由优先级+端口号组成
修改端口优先级:
默认情况下是128
Sw1(config-if)#spanning-treeport-priority16注意:
必须是16的倍数才行
3.Onedesignatedportpersegment(每个Segment只有一个指定端口)
a.选举RP/DP的方法:
(a).LowestRID(最小的RID)是SW1(根桥)的BID
(b).Lowestpathcosttorootbridge(到达根的最小路径开销)
(c).lowestsenderBID(最小的发送BID)
(e).LowestsenderportID
b.根桥的所有端口都是指定端口(DP)。
4.Nondesignatedportsareblocked(非指定端口将被堵塞)
最后,既不是根端口,又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口,这些端口将被block掉。
从而达到防环的目的。
四.生成树的收敛
当网络出现故障导致拓朴发生变化时,生成树要进行收敛,在收敛过程中,一个block接口变到forward状态时会经历以下四种状态变化。
生成树端口状态:
1、blocking--阻塞状态,不转发帧,监听流入的BPDU,不学习MAC地址
2、listening--监听状态,不转发帧,不学习MAC地址,能够决定端口角色
3、learning--学习状态,不转发帧,能学习MAC地址
4、forwarding--转发状态,能够进行正常的帧转发
当拓扑发生变化时,端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S
如果是直连接口down掉,端口状态过渡最大需要30S
如果是非直连故障,最大需要50S
五.二层MAC地址表的收敛
注意:
在网络拓朴发生改变后,不仅会有STP的收敛,还会导致二层MAC地址表的收敛。
1.当发生如下事件时,SW会发送TCN:
a.链路故障(FWD->BLK)
b.端口进入转发状态,并且SW已经拥有DP
c.非根桥从它的DP接收到TCN,并将其转发
2.MAC地址表的收敛过程如下:
a、拓扑发生改变的交换机向RP端口发出TCN的BPDU
b、上级交换机做两件事:
先回应一个TCA置位的BPDU,再继续向自已的RP接口发出TCN的BPDU
c、TCN的BPDU就这样一跳跳的传到根交换机上
d、然后根交换机将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为转发延迟时间(15S)。
e、根交换机再向网络中发出TC置位的BPDU
f、网络中的其他交换机收到TC置位的BPDU后,也将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为15S。
这样,每台交换机就快速的老化了MAC地址表,清除掉了已经失效的MAC地址条目。
六.BPDU Timer
1.三个计时器:
MessageAge:
最大存活时间(20S)
HelloTime:
根桥连续发送BPDU的间隔(2S)
ForwardTime:
SW在监听和学习状态所停留的时间(15S)
spanning-treevlan1-10hello-time3修改发送BPDU的时间间隔
spanning-treevlan1-10forward-time13修改forward时间
spanning-treevlan1-10max-age33修改最大存活时间
注意:
必须在根桥上修改,否则不起作用。
老化时间(blocking)(lossofBPDUdetected)maxage=20s
监听时间(listening)forwarddelay=15s
学习时间(learning)forwarddelay=15s
监听BPDU 学习MAC 帧转发
Blocking √ × ×
Listening √ × ×(选举Root/RP/DP)
Learning √ √ ×
Forwarding √ √ √
七.STP和802.1Q
1.CISCO交换机上,在采用802.1Q的Trunk中,SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
(PVST)
2.对于不支持802.1Q的SW,所有VLAN维护一个STP。
(SSTP)
3.在交换网络中,STP是始终运行的,如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。
4.PerVLANSpanningTree
优点:
1.基于Vlan的负载均衡;
缺点:
1.BPDU是基于Vlan的基础上运行的;
八.STP的一些增强特性
1.802.1DSTP设计初衷:
网络中断后能够在1分钟之内(Max=50S)恢复。
伴随着LAN出现3层交换,很多的路由协议(OSPF/EIGRP)都能在几秒之内收敛。
2.Cisco为加快收敛时间,提出了一些私有的优化特性来加速STP的收敛:
a、PortFast
b、UpLinkFast
c、BackboneFast
3.PortFast:
能够让2层的接入端口(接host)跳过LIS/LRN状态立即进入FWD。
30S->0S
基于接口,用于接非交换机接口,不要设置在接SW的端口。
Sw1#showspanning-tree
Type:
Edge[Shr/P2p]
测试:
把交换机的端口shutdown,再noshutdown,观察状态。
启用前和启有后是不一样的。
Sw1(config)#spanning-treeportfastdefault(所有接口启用)全局下用
一般用在接入层的交换机上。
Sw1(config-if)#spanning-treeportfast接口下单独启用
Sw1(config-if)#spanning-treeportfastdisable(某个口禁用,通常是连接另一台交换机的口)
4.UplinkFast:
在接入层SW上配置,用于检测直连到分布层SW的链路故障,并加速STP的收敛速度。
也可以在分布层交换机上配置,用于检测直连到核心层交换机的链路故障
30S->0S
Sw2(config)#spanning-treeuplinkfast
(Uplinkfast是一个全局命令,将影响SW上的所有VLAN)
Debugspanning-treeevents
测试:
将有效链路口shut,原来BLK口立即转发,
Uplinkfast将网桥PRI增加到49152,将端口Cost增加3000
使SW不能成为Root。
所以一般配置在接入层SW。
Sw2#showspanning-tree
........Uplinkfastenabled
Sw2#showspanning-treeuplinkfast可以看到哪些接口成为备份
Sw2(config)#spanning-treeuplinkfastmax-update-rate200
(每秒所发包的数目,默认值150)
5.BackboneFast:
BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。
用于检测主干SW间的链路故障。
(50S->30S)
要求BackboneFast应用在所有SW上。
当交换机检测到次级BPDU后,将使用替代路径发送RLQBPDU(根链路查询BPDU),RLQBPDU通过中间交换机向根交换机传播,并且根交换机将最终响应。
Sw1(config)#spanning-treebackbonefast
Sw1#showspanning-treebackbonefast可以查看RLQ消息和次级BPDU
如果看到Backbonefastisenable就说明做好了
九.RSTP(RapidSTP) 802.1w当前主流技术
1.RSTP的基本工作原理与STP相同,要经历四个工作流程,也有相同的四个选举规则。
2.当网络拓扑发生改变时,快速生成树协议能够明显地加快重新计算生成树的速度。
启用命令:
spanning-treemoderapid-pvst//理论一大把,命令就一条
3.RSTP的特点:
RSTP中,将接口的链路类型分为两种:
a.共享链路如果接口工作在半双工则是share类型的链路
b.点到点链路如查接口工作在全双工则是point-to-point类型的链路
注意:
仅仅只在点到点链路上RSTP才能实现快速收敛
4.RSTP中定义了3种端口状态:
Discarding/Learning/Forwarding
5.RSTP中的端口角色:
RP:
根端口
DP:
指定端口
AlternatePort:
替代端口
BackupPort:
备份端口
6.默认集成backbonefast
将portfast也集成了,改名为边缘端口,要手工加载,加载的方法都和portfast一样。
7.RSTP中BPDU的格式:
在Flag字段总共8bit,STP中只用到2bit,
RSTP用到其他6bit来完成端口状态和角色的编码。
Version:
2
MessageType:
2
8.在802.1D中,只有当SW从根端口收到BPDU时,非根桥才能转发BPDU。
在802.1w中,每个SW会每隔2S就发送一次包含当前信息的BPDU。
9.定义了Proposal和agreement消息用来做快速收敛
10.关于拓朴变更后MAC地址表的收敛过程:
注意:
在RSTP中,只有当非边缘端口进入转发状态的时候才会导致拓扑变更,才会产生TCBPDU,连接的丢失不会导致拓扑变更,也不会产生TCBPDU。
在RSTP中,每台交换机都可以下发TC置位的configBPDU,这样也实现了快速收敛,除非网络有老式设备,否则RSTP不需要使用TCNBPDU。
11.STP优缺点:
业内标准
优点:
交换机负载小
缺点:
收敛时间长、负载均衡
12.PVST优缺点:
cisco
优点:
负载均衡
缺点:
收敛时间长、交换机负载大
13.RSTP优缺点:
业内标准
优点:
收敛速度快、多个vlan公用一个生成树,交换机执行效率较高
缺点:
不能负载均衡
14.RPVST:
cisco
优点:
负载均衡、收敛速度快
缺点:
交换机负载大
十.MST(MultipleSpanningTree) 802.1s
1.CST(CommonSpanningTree)
缺点:
所有的Vlan都是按照同一个STP来工作的。
优点:
开销小。
2.PVST
优点:
可以为每个Vlan配置一个STP。
可以实现基于Vlan.L2的负载分担。
缺点:
SW维护很多的STP,开销大。
Vlan改变,波及大。
3.MST(对CST和PVST的折衷方案)
a.MST对vlan分组(Instance)
b.每个分组可以有独立的STP,实现L2负载分担。
spanning-treemodemst(启用MST)
spanning-treemstconfiguration
nameWOLF
revision10
instance1vlan1-5
instance2vlan6-10
spanning-treemst1priority4096修改本交换机在这一大堆VLAN中的优先级
intf0/5
spanning-treemst1cost19修改本接口在这一组中的开销
showspanning-treemst
showspanning-treemstconfiguration
showcurrent
showspending
有一个默认组0,没划分的VLAN就在这里面
MST不能和PVST共存,可以和RSTP共存
十一.优化STP
1.BPDU防护:
对于设置了PortFast接口,却收到了BPDU,如果设置了BPDU防护,就能将此接口关闭,而不会进入生成树状态。
spanning-treeportfastbpduguarddefault(全局开启)
intf0/1
spanning-treebpduguardenable(接口开启)
showspanning-treesummary[totals]
Showerrdisablerecovery显示可导致接口errdisable的选项
设置自动恢复:
errdisablerecoverycausebpduguard设置300S(默认)后自动修复bpduguard所导致的errdisable
errdisablerecoveryinterval30修改默认的修复时间
2.BPDU过滤:
不发也不收
通过使用BPDU过滤,能够防止在启用portfast的端口上向host发送不必要的BPDU。
注意:
如果在全局下配置,从端口收到BPDU的话,不会禁掉端口,会转为正常的STP状态。
如果在接口下配置,从端口收到BPDU的话,会丢弃。
如果在同一接口设置Guard/Filter, F优于G
BPDU过滤只是一种优化技术,在接口上配置BPDU过滤有可能导致桥接环路,所以不推荐使用。
spanning-treeportfastbpdufilterdefault(全局开启)
intf0/9
spanning-treebpdufilterenable(接口开启)
showspanning-treesummarytotals
3.根保护:
能够将接口强制设为DP,进而防止对端SW成为Root。
设置了根保护的端口如果收到了一个优于原BPDU的新的BPDU,它将把本端口设为blocking禁止状态,过一段时间,如果没再收到BPDU,它会恢复端口,这一点不同于BPDU的防护。
intf0/5
spanning-treeguardroot
测试:
将其他SW变成根桥,看原来根桥的现象:
showspanning-treeinconsistentports
Showspanning-treeinterfacef0/2detail
showspanning-tree
Fa0/2DesgBKN*19128.2P2p*ROOT_Inc
4.环路保护:
对于软件故障处理得更好
当STP中的BLK端口错误的过渡到FWD状态,有可能出现环路。
启用Loopguard的接口,如果原来的BPDU老化了,不会转到listening状态,而将自动转为inconsistent状态
在inconsistent状态下,会再根据对端交换机发过来的BPDU进行决定端口状态。
如果是出现了单向链路失效的现象,对端交换机是不会有BPDU过来的,所以接口将一直保持inconsistent。
默认情况下是禁用的。
spanning-treeloopguarddefault(全局)
intf0/9
spanning-treeguardloop(接口)
5.UDLD单向链路失效检测:
对于硬件故障处理得更好
单向链路失效是比较常见的现象,以太网线缆的收发出现问题。
当链路保持“UP”的时候,接口却没有流量收到。
UDLD是一种二层协议,它与第一层机制协同工作来确定链路的物理状态。
启用UDLD能使得这种接口自动进入“err-disable”状态。
启用了UDLD的交换机之间会互相发送UDLD协议包来保持联系,默认间隔15S
Sw1(config)#udldenable也可在接口下配
showudld
积极模式的UDLD--当端口停