网络冗余STP和HSRP

环形网络中造成大量的流量即 广播风暴 导致网络的瘫痪 从而影响 学校的正常工作 本文根据生成树协议实现网络冗余链路管理的技术手段 从 协议的原理 配置 管理等角度进行分析 探讨实现网络冗余链路管理的方法 由于以太网网桥采用了基于 MAC 地址实现在不同端口之间的数据转发机 制 每一个端口对应的是一个以太网的网段 通过学习每个端口的 MAC 地址表 的方式 网桥只转发不同端口间的通信 但由于网桥依赖运行网络中存在的 MAC 地址和端口的地址对应表来进行数据的转发 若收到目的地址未知的数据 包 只能利用广播的形式来寻址 其后果就是在一个环形网络中造成大量的流 量即 广播风 暴 从而导致网络的瘫痪 为了解决基于二层的 广播风暴 问题 IEEE 电 机和电子工程师学会 制定了 802 1D 的生成树协议 Spanning Tree Protocol 它在防止产生环 路的基础上提供路径冗余 生成树协议 STP 是通过生成树算法 STA Spanning Tree Algorithm 计算出一条到根网桥的无环路路径来避免 和消除网络中的环路 它是通过判断网络中存在环路的地方并阻断冗余链路来 实现这个目的 通过这 种方式 它确保到每个目的地都只有唯一路径 不会产 生环路 从而达到管理冗余链路的目的 为了实现对冗余链路的管理 找出存在的冗余链路 STA 在网络中选举根网 桥作为依据 跟踪该可用路径 若发现存在冗余路径 它将选择最佳路径来进 行数据包转发 并阻断其它冗余链路 Spanning Tree 的工作原理 Spanning Tree 的工作方式如同生成一棵的树 树的根就称为 根网桥 每个设备会定义一个优先级 数值越小代表它成为根桥的可能性越大 参与 STP 的所有交换机都通过数据消息的交换来获取网络中其它交换机的信息 这 些消息被称为桥接协议数据单元 BPDU BPDU 主要内容包括 根信息 路 径开销 端口信息 记时器 实现管理冗余链路 建立无环路生成树的首先选举一个根网桥 根网桥是 所有交换机用来决定网络中是否存在环路的依据 通过网桥 ID 决定谁将成为根 网桥 根网桥 ID 由两部分组成 优先级域 两字节 和 MAC 地址域 六字节 以上两个部分决定了根网桥的选定结果 数值越低 就越有可能成为根网桥 如果交换机发现一个比它自己更低的根 ID 就将根 ID 在 BPDU 中进行宣告 通 过交换 BPDU 报文 交换机决定谁是根网桥 当根网桥选举完后 每台交换机与根网桥建立关联 交换机首先判断路径 开销 路径开销是根据链路速率和 BPDU 从根网桥到达本端口所经过的链路数 量而计算出来的 如果一个端口有最低的路径开销 它将被置于转发模式 接 收 BPDU 的所有其它端口将被置于阻断模式 若各端口接收到 BPDU 的路径开销 相同 交换机将根据网桥 ID 以决定哪个端口应该进行转发 有最低网桥 ID 的 端口将被选为转发端口 所有其它端口将被阻 断 经过 BPDU 的交换 可实现根网 桥交换机的选举 并计算出每台交换机到 根交换机的最短距离 离根交换机最近的交换机被称为指定交换机 每台交换 机的根端口被选举出来 这是一个提供从该交 换机到根交换机最佳路径 通常 是最低开销路径 的端口 不进行数据帧转发的端口被置于阻断状态 这些端 口可继续发送和接收 BPDU 信息 但禁止发送或接收 用户数据 为了建立一个无环路网络 生成树使交换机的各个端口经历几种不同的状 态 阻断 倾听 学习 转发 关闭倾听和学习状态都是生成树所实施的过渡 状态 指挥交换机端口等待从其它交换机上获得 BPDU 报文 端口状态转换如下 当生成树通过了 STP 状态时 采用一系列记时器来防止网络中桥接环路的 发生 快速生成树协议 Rapid Spanning Tree Protocol RSTP 生成树协议 IEEE 802 1d 虽可在 50 秒内恢复连接 但已不能满足现代交换 式网络和应用的需要 在 802 1w 中定义的 RSTP 协议可解决 802 1d 的自恢复 问题 快速生成树协议 RSTP 是从生成树算法的基础上发展而来的 通过配 置消息来传递生 成树信息 并通过优先级比较来进行计算 快速生成树能够完 成生成树的所有功能 优异之处在于快速生成树减小了端口从阻塞到转发的延 时 快速恢复网络的正常 工作状态 它采用桥 桥握手机制 并不采用 802 1d 中根桥所指定的计时器 快速生成树协议与生成树协议的区别不少 如端口状态迁移方式不同 配 置消息的格式不同 拓朴改变消息的传播方式不同 RSTP 除了对根端口和 802 1d 中的指定端口进行了定义之外 还增加了两种 新的作用 一是备份端口 指定端口向生成树提供的路径备份 二是替代端口 为当前根端口所提供的根桥提供了替代路径 RSTP 中新定义的端口作用使替代 端口可以进行快速转换 能转发根端口的故障 为了防止环路 RSTP 利用网桥之间的握手来确保通过网络分配的端口任务 能够保持一致 由于这种握手机制不依赖于定时器 因此可以迅速地传送到网 络各处 随着拓朴结构的改变而在很短的时间内恢复连接 802 1w 仅工作在点 到点的连接中 否则 802 1w 协议将回到 802 1d 模式 新的根端口从阻塞到转发的实现 原有根端口已经知道自己不再是根端口 了 进入阻塞状态 新的根端口连接的网段的指定端口处于转发状态 这个新 的根端口就可以无延时地进入转发状态 非边缘指定端口从阻塞到转发 此个端口连接着其他网桥 等待进入转发 状态的指定端口向下游网桥发送一个握手请求报文 若下游的网桥响应了 则 这个指定端口就可以无延时地进入转发状态 边缘端口从阻塞到转发 边缘端口直接和终端设备相连 不再连接任何网 桥的端口 网桥启动后这些端口即无延时地快速进入转发状态 通过 STP 实现链路冗余管理 正确理解 STP 原理和配置 对于维持交换网络的正常运行有重要的影响 设计好生成树 可以使网络保持良好的性能 通过人工设定的方法为网络指定网桥的优先级别 将其置于网络的中心位 置 保证该网桥能被选举为根网桥 并配备备份根网桥是实现链路优化管理的 手段之一 为更好地定制生成树 可通过调整交换机的端口 ID 端口成本 网 络直径等方法来实现 快速生成树改进的只是生成树的收敛时间 没有解决在整个桥接网络只应 用一个单生成树实例的不足 网络设计时最好使网络直径不超过 7 在交换上 Spanning tree 的设置 Switch config spanning tree 上面的命令全局启用 spanning tree 功能 Switch config spanning tree ethernet 2 1 path cost 30 priority 9 上面的命令设置 e2 1 端口的路径消费为 30 端口优先级为 9 Spanning tree 也可应用于特定的 VLAN 或者某一个端口上面 Switch config vlan 10 spanning tree Switch config if 2 1 spanning tree 查看 Spanning tree Switch Show span detail Switch config Show span detail STD 对实现网络冗余链路的优化管理 维持网络的稳定 快速修复交换网络 故障有重要的影响 对交换网络的生成树设计 可通过人工设定参数的方法来 优化管理 小介 HSRP HSRP 热备份路由器协议 HSRP Hot Standby Router Protocol 热备份路由器协议 HSRP 的设计目标是支持特定情况下 IP 流量失 败转移不会引起混乱 并允许主机使用单路由器 以及即使在实际第一跳路由 器使用失败的情形下仍能维护路由器间的连通性 换句话说 当源主机不能动 态 知道第一跳路由器的 IP 地址时 HSRP 协议能够保护第一跳路由器不出故 障 该协议中含有多种路由器 对应一个虚拟路由器 HSRP 协议只支持一个路 由器代表虚拟路由器实现数据包转发过程 终端主机将它们各自的数据包转发 到该虚拟路由器上 负责转发数据包的路由器称之为主动路由器 Active Router 一旦 主动路由器出现故障 HSRP 将激活备份路由器 Standby Routers 取代主动 路由器 HSRP 协议提供了一种决定使用主动路由器还是备份路