浅析STP协议

浅析STP协议 内容提要 STP协议概论STP起源 为什么要起草STP协议 STP协议运行条件及基本概念STP协议在交换机中的算法分析STP协议实例分析与图解协议发展史 从STP到MSTPMSTP协议分析及应用 为什么需要802 1d STP生成树协议 矛盾产生 二层数据网存在自愈需求 而且这种需求很合理 即当某一条链路发生故障失效时 需要一条冗余的链路能够马上接管所有的工作 但冗余线路的存在会引入网络环路 而环路带来了广播风暴 解决矛盾 为了保证链路冗余 并抑制 广播风暴 在二层数据网络中存在的弊端 IEEE制定了802 1d生成树协议STP SpanningTreeProtocol STP协议基本思想 既保留冗余 备份 又剔除环路 抑制广播风暴 模拟构造自然界中生长的树 目的 通过构造一棵自然树的方法达到裁剪冗余环路的目的 同时实现链路备份和路径最优化 SPA 用于构造这棵树的算法就叫做生成树算法SPASpanningTreeAlgorithm STP 用这种算法构造网络树的协议也就被称为 生成树协议 STP综述 一 STP能够提供路径冗余 又可使任意两个终端之间仅有一条有效通信路径 它的工作成果就是在二层网络中生成一棵树 以使网络中无环路 避免广播风暴 STP协议跨越了整个第二层网络 STP操作对于终端来说是透明的 STP综述 二 SPA 网桥能够使用该算法创建无环路的网络逻辑拓朴结构 将两点之间存在的多条路经划分为 通信路径 和 备份链路 数据的转发在 通信路径 上进行 而 备份链路 只用于链路的侦听 一旦发现 通信路径 失效时 将自动地将通信切换到 备份链路 上 如果系统任意端点检测到生成树中的网络一部分不可达 或者STP值变化了 生成树算法会重新计算生成树拓扑 并且通过启动备份路径来重新建立连接 STP工作的前提条件 通信方式的定义 不同网桥或交换机之间保持STP协议的通信 网桥之间互发BPDU包来实现 BPDU包包含了STP算法所需的所有状态信息 STP入口地址 00 80 C2 00 00 00 这是一个工作在MAC层上的组播地址 STP协议基本概念 生成树两种工作级别 桥级别 端口级别 每个网桥或交换机必须具有桥ID以标识自己 由网桥的优先级及其MAC地址组成 网桥的各个端口都有一个端口路径开销值 端口路径开销值与端口带宽相关联 端口带宽越高 其开销值越低 因此其值可以反映连接效率 STP协议基本概念 续 桥一级上 生成树算法为每台交换机计算桥的桥ID BridgeIdentifier 然后设定根桥 RootBridge 和指定桥 DesignatedBridges 端口一级上 生成树算法设定根端口 RootPort 和指定端口 DesignatedPorts 基本概念 BPDU 桥ID 根桥 根端口 指定桥 指定端口 根路径开销 STP协议基本概念 BPDU BPDU bridgeprotocoldataunit 桥接协议数据单元 STP协议利用它传递网络配置一信息和网络拓扑改变信息 STP协议基本概念 BPDU STP协议基本概念 桥ID 桥ID BridgeIdentifier 桥优先级 桥MAC地址 桥的优先级 BridgePriority 是可以手工设定的参数 0 65535 但必须被4096整除 默认值是32768 交换机的桥ID数越低 则交换机的优先级越高 这样可以增加其成为根桥的可能性 zte cfg setstpinstance0bridgeprio bridge priority mustbedividedexactlyby4096 STP协议基本概念 根桥 根桥 RootBridge 及其根桥的选举 基本原则 桥ID最小的网桥将成为网络中的根桥 方法 互相组播BPDU包 实现过程 在拓扑开始时 各网桥都以默认值启动 并互发BPDU包 网桥收到BPDU包后 将自身的桥ID与包中的桥ID相比较 如果包中的桥ID更小 则转发该包 否则丢弃 并将自身生成的带有自身桥ID的BPDU包在网络中组播 STP协议基本概念 根端口 根端口的位置 根端口位于每个非根桥 每个非根桥必须找到自己的根端口 每个非根桥将各自选择一条 最粗壮 的树枝作为到根桥的路径 相应端口的角色就成为根端口 该端口到根桥的路径开销值最低 端口开销 根端口的选择跟端口的根路径开销相关 端口的根路径开销跟端口到根桥所经过的所有端口的带宽相关 千兆端口的开销要小于百兆端口的开销 在交换机中 这个值是开放出来可以手工设置的 因此如果在网络规划中需要规划某个端口为根端口 则可以设置相关端口开销较小 STP协议基本概念 指定桥 指定端口 DesignatedPort 指定桥 DesignatedBridge 网络拓扑中的任何一个网段 在决定网段上业务的转发流向时 必须选定指定端口 以确定业务在该网段的数据转发方向 指定端口所在的桥就是该网段的指定桥 所有的指定端口状态为转发状态 如果这条网段是一个备份网段 那么对端端口将被阻塞 仅进行 的监听 而不再转发业务数据报 STP协议基本概念 根路径开销 根路径开销 RootPathCost 它是该网桥根端口的路径开销与数据包经过的所有网桥的根路径开销之和 根桥的根路径开销是零 端口的路径开销 PathCostofPort 与端口的带宽想关联 根据802 1d约定 这是一个可变的参数 每个1000Mbps网段有一个指定的开销值为4 100Mbps网段的开销值19 10Mbps网段的开销值100 STP协议在交换机中的算法分析 A 通过比较各个网桥ID找到根桥 桥ID最小 它是STP算法的核心和起始点 B 找出其它每个桥的根端口和每个桥到根桥的路径开销值 在其它每个网桥上计算其上各个有连接的端口到根桥的路径开销值 找到某个端口使其对应的路径开销值最低 这个端口就是该桥的根端口 规定根端口对应的最低路径开销值为该桥到根桥的路径开销值 STP协议在交换机中的算法分析 续一 C 通过计算出的各个桥到根的路径开销值 为每一个网段找出指定桥 指定桥内与对应网段相连的端口叫指定端口 每一个网段对应一个指定桥和一个指定端口 注 在确定桥的根端口和网段对应的指定端口时 如果有两个或两个以上的端口对应的路径开销值相同 则比较它们各自所在的桥ID 选桥ID较低的一个 如果在一个桥内 则比较它们各自的端口标识符 通过以上算法 整个网络的动态拓扑结构就完全确定下来 STP协议算法分析 续 拓扑改变 STP的重新配置 整个网络的拓扑结构稳定后 所有的桥将监听由根桥定时发来的BPDU包 拓扑改变 如果一个桥在一段时间内没有收到BPDU包 该桥将认为根桥不存在或它与根桥的连接已中断 这时它就会发送一个通知拓扑改变的BPDU包通知其他桥该变化信息 然后各桥就会从其缓存内查询原拓扑结构的状态信息 如果发现取不到或状态信息已更改 则所有桥将按照前述配置过程重新配置STP的状态信息 STP协议实例分析与图解 设备 3 个网桥 个网段 选举根桥 为每个非根桥选举根端口 为每个网段选指定桥及指定端口 拓扑稳定 生成树协议的发展历程 STP的缺陷RSTP对STP的改进RSTP的局限性CISCO对生成树技术的引领 PVST PVST 802 1Q对生成树协议的挑战 横空出世的MISTP MSTP STP的缺陷 STP协议的主要的缺陷表现在收敛速度太慢 当网络拓扑发生变化 可能存在临时环路 为了解决临时环路的问题 生成树使用了一种定时器策略 但是这个解决方案实际上带来的却是更长的收敛时间 RSTP对STP的改进 一 RSTP协议在STP协议基础上作了三点重要改进 收敛速度快的多 最快1秒以内 改进一 为根端口和指定端口设置了快速切换用的替换端口AlternatePort和备份端口BackupPort两种角色 当根端口 指定端口失效的情况下 替换端口 备份端口就会无时延地进入转发状态 RSTP对STP的改进 二 改进二 在只连接了两个交换端口的点对点链路中 指定端口只需与下游网桥进行一次握手就可以无时延地进入转发状态 如果是连接了三个以上网桥的共享链路 下游网桥是不会响应指定端口发出的握手请求的 只能等待两倍ForwardDelay时间进入转发状态 RSTP对STP的改进 三 改进三 直接与终端相连而不是和其他网桥相连的端口定义为边缘端口EdgePort 边缘端口可以直接进入转发状态 不需要任何延时 由于网桥无法知道端口是否是直接与终端相连 所以需要人工配置 RSTP的局限性 仍是单生成树结构 收敛速度仍无法应对大型网络 802 1Q给单生成树带来的挑战 链路被阻塞后将不承载任何流量 造成了带宽的极大浪费 CISCO对生成树技术的引领 PVST PVST 面对802 1Q Cisco的VLAN生成树PVST PerVLANSpanningTree 带来了新希望 缺陷 PVST不兼容STP RSTP为了兼容STP RSTP Cisco的PVST 对PVST作了改进 它在VLAN1上运行普通STP 在其它VLAN上运行PVST 横空出世的MISTP MSTP CISCO的PVST PVST 的缺陷 从PVST PVST 到多实例化的MISTP MISTP既有PVST的VLAN认知能力和负载均衡能力 又拥有低CPU占用率 不幸的是 兼容性极差 并且协议私有 IEEE802 1s定义了多生成树协议MSTP MultipleSpanningTreeProtocol 它是一种新型多实例化生成树协议 CISCO的PVST PVST 的缺陷 每个VLAN一个生成树 将导致通信量正比于VLAN个数 维护多个生成树导致网桥的计算量和资源占用率急剧增加 CPU将不堪重负 协议私有 兼容性太差 横空出世的MISTP MSTP 优势 MSTP的优势 具有VLAN认知能力 可以实现负载均衡 可以实现类似RSTP的端口状态快速切换 可以捆绑多个VLAN到一个实例中以降低资源占用率 可以很好地向下兼容STP RSTP协议 而且 MSTP是IEEE标准协议 推广的阻力相对小得多 各项全能的MSTP协议是生成树发展方向 MSTP协议分析及应用 为什么要引入MSTP MSTP基本概念MSTP实例分析 MSTP基本概念 白板画图说明 什么是实例 实例和VALN的关系 什么是CST 主干生成树 什么是IST 区域生成树 什么是CIST CIST CST IST 什么是实例 实例和VALN的关系 多实例生成树协议MISTP Multi InstanceSpanningTreeProtocol 定义了 实例 Instance 的概念 简单的说 STP RSTP是基于端口的 PVST PVST 是基于VLAN的 而MISTP就是基于实例的 所谓实例就是多个VLAN的一个集合 通过多个VLAN捆绑到一个实例中去的方法可以节省通信开销和资源占用率 MSTP实例分析 AMCOM演示网络 拓扑结构实例设置分析 拓扑结构 业务分类 根据局方要求 共有四条业务通道 每条业务走不同的链路 要求存在冗余链路以达到网络快速自愈 使得可靠备份 F1 百兆业务链路一F2 百兆业务链路二G1 千兆业务链路一G2 千兆业务链路二 F1链路拓扑 最开始F1相互间走红色链路 当T160G 1与T160G 2断掉后 改走另一条链路 F2链路拓扑 最开始F2相互间走蓝色链路 当T160G 1与T64G 4断掉后 改走另一条链路 G1链路拓扑 最开始G1相互间走红色链路 当T160G 1与T64G 5断掉后 改走另一条链路 G2链路拓扑 最开始G2相互间走蓝色链路 当T160G 3与T64G 2断掉后 改走另一条链路 F1链路拓扑分析 如何使用MSTP实现该拓扑 创建实例以及vlan映射 根桥的确定 指定端口开销 确定链路走向检查 F1链路拓扑 最开始F1相互间走红色链路 当T160G 1与T160G 2断掉后 改走另一条链路 实际操作 配置业务F1的实例树 创建实例以及vlan映射 在所有有关的桥上均执行该命令确保所有交换机同处相同区域 并且同一实例内容一致 T160G 1 cfg setstpinstance1addvlan10 19根桥的确定 T160G 1 cfg setstpinstance1bridgeprio4096优先级必须是一个能被4096整除的数 默认值是32768 指定端口开销 确定链路走向T64G 4 cfg setstpinstance1port6cost200000000检查链路 F2链路拓扑 最开始F2相互间走蓝色链路 当T160G 1与T64G 4断掉后 改走另一条链路 实际操作 配置业务F2的实例树 创建实例以及vlan映射 在所有有关的桥上均执行该命令确保所有交换机同处相同区域 并且同一实例内容一致 T160G 1 cfg setstpinstance2addvlan20 29根桥的确定 T160G 1 cfg setstpinstance2bridgeprio409