《TCPIP路由交换技术》课件-第7章生成树工作原理及配置

第7章交换网络中的冗余链路课程议题通过本章内容的学习，希望您能够：理解生成树协议的内容、术语及比较规则；能够对交换机配置生成树协议，并选出主链路和冗余链路；能够利用冗余技术来实现实际的工程任务。学习目标7.1

冗余链路的基本概念生成树协议发展过程划分成三代

第一代生成树协议：STP/RSTP

第二代生成树协议：PVST/PVST+

第三代生成树协议：MISTP/MSTP网络中存在的单点故障故障网络中的单点故障可导致网络的无法访问6交换网络中的冗余链路故障在网络中提供冗余链路解决单点故障问题,使用备份连接，可以提高网络的健全性、稳定性。

CAB冗余链路出现的问题--环路环路（loop）带来的问题：广播风暴帧的重复复制交换机MAC地址表的不稳定Segment1Server/hostXRouterYSWASWBSegment1Server/hostXRouterY

广播风暴SＷＡSＷ

B广播风暴Segment1Segment2Server/hostXRouterY

单播帧SwitchASwitchB复制出多个重复的帧HostX发送一个单播帧到RouterY任何一台交换机都没有学到过RouterY的MAC地址RouterY将收到两个完全一样的重复帧Segment1Segment2Server/hostXRouterY

单播帧SwitchASwitchBPort0Port1Port0Port1MAC地址表的不稳定HostX发送一个单播帧到RouterY任何一台交换机都没有学到过RouterY的MAC地址SwitchA和B从各自的port0学到RouterY的MAC地址该帧被洪泛（flooding）转发SwitchA和B错误的从port1学到RouterY的MAC地址7.２

生成树协议(Spanning-TreeProtocol)环路问题面对这么多的环路，怎么办？Server/hostWorkstationsLoopLoopLoop

Broadcast主要链路正常时，断开备份链路主要链路出故障时,自动启用备份链路生成树协议能够发现并自动消除冗余网络拓扑中的环路。解决办法:生成树协议

(Spanning-TreeProtocol)xDesignatedport(F)Rootport(F)Designatedport(F)Nondesignatedport(B)RootbridgeNonrootbridge100baseT10baseTSpanning-Tree的运作1.根据算法选出一个根桥Root（rootbridge）2.在一个链路上选出指定端口DP（designatedport）3.在非根网桥上选出根端口RP（rootport)4.未成为指定端口或根端口的端口被阻塞，即阻隔端口，Blocked(blockedport）。SWＡSWＢBPDU的帧格式DMALLCHeaderSMAL/TPayloadBPDU：BridgeProtocolDataUnitDMA:目的MAC地址，配置消息的目的地址,固定的组播地址:0x0180c2000000SMA:源MAC地址，即发送该配置消息的桥MAC地址L/T:

帧长LLCHeader:

配置消息固定的链路头Payload:

BPDU数据BPDU桥协议数据单元，BPDU包含的关键字段字段字节作用协议ID2版本号1报文类型1标识是配置BPDU还是TCNBPDU标记域1根网桥ID8用于通告根网桥的ID根路径成本4说明这个BPDU从根传输了多远发送网桥ID8发送这个BPDU网桥的ID端口ID2发送报文的端口的ID报文老化时间2计时器值，用于说明生成树用多长时间完称它的每项功能最大老化时间2访问时间2转发延迟2BPDU的作用选举根桥检测发生环路的位置阻止环路的发生通告网络状态的改变监控生成树的状态STP根的选择依据网桥ID（BID）网桥ID是唯一的，交换机之间选择BID值最小的交换机作为网络中的根网桥网桥优先级网桥的MAC地址2字节6字节取值范围：0～65535缺省值：32768选择根网桥的目的是为了给将生成的树形结构确定一个树根STP根的选择SwitchY缺省优先级32768

MAC0c0022222222SwitchX缺省优先级32768

MAC0c0011111111

BPDUBPDU=BridgeProtocolDataUnit桥接协议数据单元

(缺省每2秒种发送)Rootbridge=有最低BridgeID的交换机BridgeID=桥优先级+桥MAC地址在本例中,哪台交换机有最低桥ID？STP选择根网桥举例根据网桥ID选择根网桥ABC优先级：4096

MAC地址：000d.2800.b100优先级：32768

MAC地址：000d.2800.b101优先级：32768

MAC地址：000d.2800.b102RootBridge下一步：选择根端口以本拓朴为例，介绍STP的计算过程根路径成本路径成本根据链路带宽的高低规定链路带宽（Mb/s）路径成本10100166245391001915514622610004100002根路径成本根路径成本－是网桥到根网桥的路径上所有链路的成本之和1919路径开销38SwitchCRootSwitchASwitchBSwitchD一台非根交换机到达根交换机的具有最佳路径的端口．

根口在非根交换机上；处于转发状态(Forwarding)。根端口(RootPort)选择根端口的依据在非根网桥上选择一个到根网桥最近的端口作为根端口选择根端口的依据是：根路径成本最低直连的网桥ID最小端口ID最小端口ID

端口优先级

端口编号

8位8位取值范围：0～255缺省值：128端口ID的组成STP选择根端口举例100M在非根桥上，选择一个根端口（RP）ABC优先级：4096

MAC地址：000d.2800.b100优先级：32768

MAC地址：000d.2800.b101优先级：32768

MAC地址：000d.2800.b102RootBridge下一步：选择指定端口100M100MRootPortRootPort在B和C上，到达A最近的端口是B和C的根端口指定端口(DesignatedPort)在每个网段上，选择1个指定端口，根桥上的端口全是指定端口非根桥上的指定端口：根路径成本最低端口所在的网桥的ID值较小端口ID值较小STP选择指定端口举例在每个网段选择1个指定端口（DP）100MABC优先级：4096

MAC地址：000d.2800.b100优先级：32768

MAC地址：000d.2800.b101优先级：32768

MAC地址：000d.2800.b102RootBridge100M100MRootPort这个端口既不是根端口，也不是指定端口，STP将这个端口阻塞（Block）在这个网段上，B的网桥ID较小，所以B上的端口为指定端口DPDPDP根网桥上的端口都是指定端口7.3

生成树协议的工作过程生成树协议的工作过程第一步:选举根交换机第二步:在非根交换机上选举一个根端口第三步:在每个网段选举一个指定端口第四步:阻塞非根口非指定端口1、选举根交换机比较bridgeID,bridgeID最小的交换机为根交换机

BridgeID(交换机ID=交换机优先级+交换机MAC地址)根交换机生成树协议的工作过程依据顺序为：根路径花费最小;发送网桥ID最小;发送端口ID最小。比较路径成本选举根端口2、选举根端口根口根口生成树协议的工作过程比较发送交换机的网桥ID选举根端口2、选举根端口根口依据顺序为：根路径花费最小;发送网桥ID最小;发送端口ID最小。生成树协议的工作过程比较发送交换机的端口ID选举根端口2、选举根端口根口依据顺序为：根路径花费最小;发送网桥ID最小;发送端口ID最小。生成树协议的工作过程指定端口为该网段到根交换机最近的端口，处于转发状态。

根路径成本最小;

发送网桥ID最小;

发送端口ID最小。3、在每个网段选举一个指定端口指定端口指定端口指定端口生成树协议的工作过程4、阻塞非指定端口非根口冗余端口×生成树协议的工作过程临时回路的产生当链路发生故障，网络的拓扑发生改变，新的配置消息总要经过一定的时延才能传遍整个网络。那么在其他网桥发现拓扑改变之前会发生什么事情呢？有这样两种可能性存在：一种可能是：在旧的拓扑中处于转发状态的端口在新的拓扑中应该被阻塞，可是它自己并没有意识到这一点，造成临时的路径回环；另一种可能是：在旧的拓扑中被阻塞的端口应该在新的拓扑中参与数据转发，如果它自己不知道，则会造成网络暂时失去连通性。如何避免临时回路端口由阻塞状态进入转发状态时，要经过一定时间的延时，这个时间起码是配置消息传播到整个网络所需最大时间的两倍

ForwardDelay：配置消息传播到整个网络的最大时延设计中间状态：处于中间状态的端口只是学习站点的地址信息，但不转发数据；端口从阻塞状态经过ForwardDelay的延时后进入中间状态；再经过ForwardDelay的延时后才能进入转发状态。STP的端口状态ListeningForwardingLearningBlocking

阻塞倾听学习转发生成树算法的定时器定时发送的周期叫做HelloTime：网桥从指定端口以HelloTime为周期定时发送配置消息。配置消息的生存期为MessageAge（缺省为2秒）、最大生存期为MaxAge（缺省为20秒）。端口保存的配置消息有一个生存期MessageAge字段，并按时间递增。每当收到一个生存期更小的配置消息，则更新自己的配置消息。当一段时间未收到任何配置消息，生存期达到MaxAge时，网桥则认为该端口连接的链路发生故障，进行故障的处理。STPTimerTimeBlocking20SecListeningLearning15SecForwarding15SecForwardDelayForwardDelayMax-Age生成树使用计时器来决定状态间转换所需的时间不接收或转发数据,接收但不发送BPDUs,不进行地址学习不接收或转发数据,接收并发送BPDUs,不进行地址学习不接收或转发数据,接收并发送BPDUs,开始地址学习接收并转发数据,接收并发送BPDUs,进行地址学习7.5

快速生成树协议（RSTP）生成树协议的不足端口从阻塞状态进入转发状态必须经历两倍的ForwardDelay时间，所以网络拓扑结构改变之后需要至少两倍的ForwardDelay时间，才能恢复连通性如果网络中的拓朴结构变化频繁，网络会频繁的失去连通性，这样用户就会无法忍受。RSTP协议的特点RSTP（RapidSpanningTreeProtocol）称为快速生成树协议对STP的补充，在物理拓扑变化或配置参数发生变化时，原来冗余的交换机端口在点对点的连接条件下端口状态可以迅速迁移（Discard→Forward）能够显著地减少网络拓扑的重新收敛时间定义了2种新增加的端口角色，用于取代阻塞端口：替代（alternate）端口AP：为根端口到根网桥的连接提供了替代路径备份（backup）端口BP：提供了到达同段网络的备份路径RootBridgeDPDPRPAPDPBPRSTP的端口状态RSTP有3种端口状态丢弃（discarding）学习（learning）转发（forwarding）运行状态STP端口状态RSTP端口状态在活动的拓扑中是否包含此状态DisabledDisabledDiscarding否EnabledBlockingDiscarding否EnabledListeningDiscarding否EnabledLearningLearning是EnabledForwardingForwarding是RSTP协议的改进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。改进二

指定端口可以通过与相连的网桥进行一次握手，快速进入转发状态。改进三

网络边缘的端口，即直接与终端相连，而不是和其他网桥相连的端口可以直接进入转发状态，不需要任何延时。RSTP与STP的兼容性RSTP协议与STP协议完全兼容RSTP协议根据收到的BPDU版本号来自动判断与之相连的交换机支持的是STP协议还是RSTP协议7.5

多生成树协议（MSTP）单生成树的缺点交换机A和D之间的链路不承载任何的流量ADCBMSTP的优点(1)运行MSTP之后，在交换机A上可以基于VLAN来阻断或者开放转发资源ABADCBVLAN3VLAN2MSTP的优点(2)承载VLAN2的拓扑承载VLAN3的拓扑ABADCBABADCBMSTP中的优势MSTP（MultipleSpanningTreeProtocol）即多生成树协议MSTP模式增加了实例和VLAN映射的概念，还提供了VLAN环境的快速聚合和负载均衡。在MSTP模式下，可以存在多个spanning-tree实例，端口在不同VLAN下的转发状态可以不同。MSTP中的基本概念1、MSTI多生成树实例(Multiplespanningtreeinstance)每个实例对应一个或一组VLAN每个VLAN只能对应一个实例(映射)每个交换机可以运行多个实例(MSTID:1-16)没有配置VLAN与实例的映射关系时，所有VLAN映射到实例0实例是“MST域”内的概念每个实例上分别计算各自的生成树，互不干扰每个实例的生成树的算法与RSTP基本相同每个实例的生成树可以有不同的根，不同的拓扑每个实例各自发自己的BPDU每个实例的拓扑可以人为通过配置来确定每个端口在不同实例上的生成树参数可以不同每个端口在不同实例上的角色、状态可能不同2、MST区域（MSTregion）每一个MST区域由一个或几个具有相同MST配置ID（MCID）的相连网桥组成，它们启用相同的多个实例。用户可以通过MSTP配置命令把多台具有相同特征的交换机划分在同一个MST域内。也就是MST域（MultipleSpanningTreeRegions，多生成树域）。MSTP中的基本概念3、MST配置ID（MCID）具有相同的MCID的MST桥属于相同的MST域，它由四部分组成：FormatSelector：0（无需配置）ConfigurationName：32字节字符串（网桥MAC）RevisionLevel：2字节非负整数（0）ConfigurationDigest：利用HMAC-MD5算法将域中VLAN和实例的映射关系加密成16字节的摘要MSTP中的基本概念MSTP中的基本概念4、CST公共生成树(Commonspanningtree)：把每个区域看成一台交换机，这样，区域之间就形成了一棵转发树，此树称为公共成生树。MSTP中的基本概念5、IST内部生成树(Internalspanningtree)：内部生成树是多生成树的一个特殊实例(instanceID=0)MSTP中的基本概念6、CIST（Commonandinternalspanningtree）公共内部生成树是由所有IST（一棵IST视为一台交换机），STP交换机和RSTP交换机组成的一棵贯穿整个网络的树。MSTP中的基本概念7、总根（CISTRoot）由网络中所有交换机竞选出的优先级最高的交换机成为总根8、域根（RegionRoot）在一个域内拥有相同域配置的MSTP交换机；某一多生成树实例竞选出的优先级最高的交换机成为该生成树实例的域根。7.6

生成树协议的配置快速生成树协议1．在全局模式或端口模式下启用或关闭STP协议：Switch(config)#spanning-treevlan<vlanid>Switch(config-if)#no

spanning-tree

2．设置STP协议的模式：Switch(config)#spanning-treemode

{pvst|rapid-pvst}3．配置生成树协议发送BPDU包的时间间隔（HelloTime）：单位是秒，范围1到10之间，缺省值为2s：Switch(config)#spanning-treevlan<vlanid>hello-time<time>STP/RSTP配置4.设置生成树协议的转发延迟时间，单位是秒，范围4到30，缺省值为15s：Switch(config)#spanning-treevlan<vlanid>forward-delay<time>5．配置生成树协议BPDU包的最大有效时间，单位：秒，范围是6到40之间，缺省值为20s。Switch(config)#spanning-tree

vlan<vlanid>max-age

<time>STP/RSTP配置6．配置交换机的优先级数值Switch(config)#spanning-tree

vlan<vlanid>priority

<priority>STP/RSTP配置参数描述<priority>交换机的优先级，必须为0或4096的倍数，缺省为32768（8×4096），最大为61440（15×4096），值越小.优先级越高。7．配置端口的路径开销Switch(config-if)#spanning-treevlan<vlanid>

cost<cost>hSwitch(config-if)#spanning-treecost<cost>STP/RSTP配置链路带宽（Mb/s）路径成本101001662453910019155146226100041000028．配置端口优先级Switch(config-if)#spanning-treevlanport-priority

<priority>STP/RSTP配置参数描述<priority>端口优先级，必须为16的倍数，缺省为128（8×16），最大为240（15×16）MSTP配置（与ZXR10设备对接）命令格式命令模式命令功能spanning-tree{enable|disable}

全局启用或关闭STP协议spanning-treemode{sstp|rstp|mstp}全局设置STP协议的模式spanning-treemstconfiguration全局进入MSTP配置模式instance<instance>vlans<vlan-id>MSTP创建MSTP实例name<string>MSTP设置MST配置名称revision<version>MSTP设置MST配置版本号spanning-treemstinstance<instance>priority<priority>全局设置某实例的网桥优先级spanning-treemstinstance<instance>priority<priority>端口设置某实例的端口优先级

MSTP配置实例（与ZXR10设备对接）实例1的根节点此端口在实例1中堵塞实例2的根节点此端口在实例2中堵塞A、B、C同属一个MST区域，并且此区域在网络拓扑中的地位是CISTRootSwitchCSwitchBSwitchASwitchD交换机A的配置1、配置MST区域

ZXR10_A(config)#spanning-treemodemstpZXR10_A(config)#spanning-treemstconfigurationZXR10_A(config-mstp)#namezteZXR10_A(config-mstp)#revision22、将VLAN1到10映射到instance1中，VLAN11~20映射到instance2中

ZXR10_A(config-mstp)#instance1vlan1-10ZXR10_A(config-mstp)#instance2vlan11-20MSTP配置实例（与ZXR10设备对接）交换机B的配置：1、配置MST区域

ZXR10_B(config)#spanning-treemodemstp

ZXR10_B(config)#spanning-treemstconfigurationZXR10_B(config-mstp)#namezteZXR10_B(config-mstp)#revision22、VLAN1到10映射到instance1中，VLAN11~20映射到instance2中

ZXR10_B(config-mstp)#instance1vlan1-10ZXR10_B(config-mstp)#instance2vlan11-203、改变交换机B在instance2中的优先级，使之成为Instance2的RootZXR10_B(config-mstp)#spanning-treemstinstance2priority4096MSTP配置实例（与ZXR10设备对接）交换机C的配置1、配置MST区域

ZXR10_C(config)#spanning-treemodemstpZXR10_C(config)#spanning-treemstconfigurationZXR10_C(config-mstp)#namezteZXR10_C(config-mstp)#revision22、VLAN1到10映射到instance1中，VLAN11~20映射到instance2中

ZXR10_C(config-mstp)#instance1vlan1-10ZXR10_C(config-mstp)#instance2vlan11-203、改变交换机C在instance1中的优先级，使之成为Instance1的RootZXR10_C(config-mstp)#spanning-treemstinstance1priority4096注：交换机D保持默认配置即可MST