引入生成树以及生成树的基本算法

第7章理解并实施交换技术任务7.3理解园区交换网络的生成树（STP）技术网桥与二层交换机因为不能隔离广播，所以是不能形成环路的。如果形成环路，则会引起广播风暴与地址自学习错误。关于网桥与二层交换机不能成环的更多信息，请参看本书第二章的3.3网桥工作原理。但是在现实的网络集成项目中，企业为了保证正常的业务流量不被中断，会将二层交换机成环，以提供冗余路径，如图7.32所示。图7.32成环的交换网络图7.32中的交换机S1、S2、S3就成环了，这违背了交换机不能成环的原则。但是实际项目需要它成环，怎么办？我们可以采取一种方式，在交换机成环后防止广播与地址自学习错误的发生，这种技术就是STP（SpanningTreeProtocol）。任务7.3

STP（SpanningTreeProtocol）允许交换机的物理环路存在，但是它在逻辑链路中会阻塞一个端口，这就防止了链路的环路。如图7.33所示，当3台二层交换机运行STP技术后，假设S3的Fa0/2端口被阻塞，那么，此时交换机就没有形成环路，所以也不会有广播风暴与地址自学习错误发生的可能。交换机S3的所有正常业务流量都通过Fa0/1进行转发，当Fa0/1的链路出现故障后，交换机S3会在短时间内将Fa0/2端口从逻辑的阻塞状态变为转发状态，激活冗余链路，让故障在短时间内得以恢复。这也是STP技术的关键功能，如图7.34所示。图7.33阻塞一个端口

图7.34STP的功能与作用

注意：理解STP协议的功能后，应该思考一个问题：在成环后的链路中，交换机会阻塞一个端口，这个被阻塞的端口是被什么样的算法所确定下来的？为什么会阻塞它？这里以3台交换机为实例环境对生成树的算法原理进行分析与取证。

任务7.3.1理解生成树（STP）技术的工作原理在成环的交换网络中，要确定在逻辑链路上最终阻塞交换机的哪个端口，就必须理解STP技术的工作原理，生成树的计算过程。生成树的计算原则如下：第一步：确定环路中的根桥。第二步：确定根端口。第三步：确定指派接口。第四步：确定阻塞端口。

1、如何确定环路中的根桥？STP（生成树）计算的第一步就是确定环路中的根桥。如图7.35所示，谁会成为根桥？这将根据各台交换机的BID来进行确定，具备最小BID的交换机成为根桥。那么什么是BID？BID叫作网桥标识符，BID由网桥（交换机）的两个关键部分组成：网桥优先级+网桥的MAC地址，如图7.36所示。在默认情况下，所有的网桥优先级是相同的，所以关键是MAC地址的大小决定根桥。在图7.35所示的环境中交换机S1将成为环路中的根桥，因为它具备最小MAC地址。根桥上的所有端口都将被设置为“转发状态”，如图7.37所示。真实设备（根桥）上的端口状态如图7.38所示。关于交换机S2和S3认同S1为根桥的状态，如图7.39所示。任务7.3.1图7.35确定交换机算法的环境图7.36关于网桥BID的实例任务7.3.1图7.37根桥的所有端口都处于转发状态图7.38根桥设备上的端口实时状态任务7.3.1图7.39交换机S2和S3认同S1为根桥的状态注意：这个BID在交换机之间是使用什么样的报文来进行发送的？使用交换机之间的BPDU（桥接协议报文单元）进行发送。关于BPDU的更多信息，以及它的报文结构，请参看本章7.3.4节“演示并取证：BPDU报文结构”。任务7.3.1当完成根桥的选举后，接下来需要确定环路中的根端口。所谓根端口，它一定不在根桥上，而是处于非根桥的交换机上，并且指示到根桥最小开销路径。根桥已确定，现在以到根桥为目标来确定交换机S2与S3上的根端口，根端口的选举原则是确定非根桥到根桥最小开销的端口。如图7.40所示，交换机S2到根桥S1有两条路径，路径1的开销是19，路径2的开销是38，所以交换机S2会选择Fa0/1端口作为根端口，根端口将处于转发状态，交换机S3同理，将选择Fa0/2端口作为根端口。关于常见端口链路的开销，如表7.7所示。2、如何确定根端口？图7.40根据开销确定根端口任务7.3.1表7.7常见端口链路的开销列表210GB以太网41GB（吉比特以太网）19100MB以太网10010MB以太网默认的开销值端口类型及速度3、如何确定指派端口和阻塞端口？

当环路中的根端口选举完毕后，现在来确定指派端口和阻塞端口。指派端口将被设置为转发状态，通常根桥上的所有端口都可以理解为指派端口，处于转发状态，现在的问题是在交换机S2的Fa0/2和交换机S3的Fa0/1端口之间，谁是指派端口，谁应该被阻塞，这需要比较交换机S2和S3发送的BPDU消息中，谁的BID更小，有更小BID的交换机上的端口将被设置为指派端口。在该环路中交换机S2与S3相比较，S2具备更小的BID，所以它的Fa0/2端口是指派端口，它将被设置成转发状态，那么在环路中剩下的交换机S3的Fa0/1端口将是阻塞端口，该端口将不能转发任何BPDU消息。最终整个环路中的交换机端口状态如图7.41所示。关于交换机S3的Fa0/1端口被阻塞的状态如图7.42所示。任务7.3.1图7.41经过STP计算的端口状态图7.41经过STP计算的端口状态图7.41经过STP计算的端口状态图7.42交换机S3被阻塞的端口状态任务7.3.2演示：人工如何干预STP计算的默认状态演示目标：使用人工干预STP的默认状态，改变网络中的根桥与阻塞端口。演示环境：如图7.43所示。图7.43STP根据默认条件的计算状态演示背景：在如图7.43所示的环路中，由于S3具备最小的BID（因为在网桥优先级相同的条件下，它有最小的MAC地址），所以交换机S3将是环路中的根桥。然后根据对生成树（STP）技术的工作原理的描述，交换机S1的Fa0/1端口将被阻塞，这是环路中的交换机根据默认条件进行STP计算的结果。但是通常在现实的工程环境中，STP的默认选举结果不满足实际需要，比如：可能交换机S3并不是性能最好的交换机，性能最好的交换机可能是S1，此时，管理员需要将交换机S1选举成环路中的根桥，并要求阻塞环路中的交换机S2的Fa0/1端口。下面将演示人工干预STP选举的过程。任务7.3.2演示步骤：1、在默认情况下思科交换机启动了spanning-tree功能，根据STP的计算原则，在上述环路中，交换机S3是根桥，交换机S1的Fa0/1端口将被阻塞，实时状态可以通过在交换机S1上执行showspanning-tree指令来查看，如图7.44所示。图7.44环路默认的选举结果任务7.3.22、现在需要将交换机S1配置成环路中的根桥，可能交换机S1有更高的性能。要配置交换机S1为环路中的根桥，这里提供两种方案，一种是直接调整交换机S1的网桥优先级，使其具备比环路中的其他交换机更小数值的优先级，那么交换机S1将会成为环路中的根桥。具体配置如下。配置交换机S1的优先级使其成为根桥：S1(config)#spanning-treevlan1priority?<0-65535>bridgepriority指令解释：在交换机S1的全局模式下，spanning-treevlan1priority指令是修改VLAN1中生成树优先级，在没有规划其他VLAN的情况下，默认交换机的所有端口都属于VLAN1，也就是所谓的公共生成树（CommonSpanningTre，CST），CST在生成树收敛时，不考虑网络中VLAN的存在，只在网络中生成和维护单个生成树实例。关于CST的更多信息，可参看本章的理解CST/PVST/PVST+/RSTP/MST部分。还有一种方案是直接将交换机S1设置为网络中的根桥，具体配置如下。

演示步骤：任务7.3.2直接配置交换机S1为根桥：S1(config)#spanning-treevlan1root?primaryConfigurethisswitchasprimaryrootforthisspanningtreesecondaryConfigureswitchassecondaryroot指令解释：在交换机S1的全局模式下，spanning-treevlan1root?指令是直接修改交换机S1为环路中的根桥，该命令关键字有两个可选参数，即primary和secondary，指示配置主根桥（第一根桥）和辅助根桥（第二根桥），如果使用primary，则会将交换机S1的网桥优先级直接从原来的32768降为8192，以保证交换机S1成为当前环路中的根桥；secondary指示如果需要对主根桥做备份，比如主根桥发生故障时，辅助根桥可以立即成为环路中的根桥，那么就可以在环路中的另一台交换机上配置其成为辅助根桥，配置为辅助根桥的交换机的优先级将比当前主根桥的交换机的优先级更高，但比其他交换机的优先级更低。将交换机S1配置为当前环路中的主根桥的方法如下：S1(config)#spanning-treevlan1rootprimaryVLAN1bridgeprioritysetto8192*交换机提示优先级变更为8192（具备更低值）VLAN1bridgemaxagingtimeunchangedat20*该定时器后述VLAN1bridgehellotimeunchangedat2*该定时器后述VLAN1bridgeforwarddelayunchangedat15*该定时器后述任务7.3.2当前环路中的根桥应该是交换机S1，它具备最小的网桥优先级，然后根据生成树算法的原则，交换机S2的Fa0/2端口将被阻塞，如图7.45所示，阻塞交换机S2的Fa0/2的原因是，在选举了交换机S2和S3上的根端口（交换机S2的Fa0/1和S3的Fa0/2）后，交换机S3的BID比交换机S2的BID更小，所以交换机S3的Fa0/1成为环路中的指派端口，交换机S2的Fa0/2成为阻塞端口。关于这一点可以通过在交换机S2上执行showspanning-tree指令来确认，交换机S2的生成树实时状态如图7.46所示。图7.45重置根桥后的状态任务7.3.2图7.46交换机S2上的实时状态任务7.3.23、到上一步为止，交换机S1已经在人工干预的条件下选举成为环路中的根桥，达到预期的部分要求。但是现在还需要交换机S2阻塞Fa0/1端口，目前交换机S2阻塞的是Fa0/2端口，因为交换机S2通过Fa0/1到根桥S1的开销(Cost)是19，而通过Fa0/2到S3再到根桥S1的开销是19+19＝38。现在只需要将交换机S2通过Fa0/1到根桥S1的端口开销配置为39（大于38）,那么Fa0/1端口将被阻塞，Fa0/2将被置为转发状态。具体配置如下，当完成配置后可以在交换机S2上通过执行showspanning-tree指令得到如图7.47所示的结果，完成该演示的所有需求。调整交换机S2的Fa0/1端口开销：S2(config)#interfacefastEthernet0/1S2(config-if)#spanning-treecost39演示步骤：图7.47交换机S2阻塞Fa0/1的实时状态任务7.3.24、为了防止随时可能发生的环路，思科交换机的STP功能默认处于启动状态，如果用户确认网络中没有环路，则可以关闭STP功能。关闭STP功能的配置如下。在交换机上禁用