计算机网络教程课件 10 生成树与链路聚合

第10章生成树与链路聚合交换机组网环路问题生成树协议生成树协议的三个版本实战：配置RSTP链路聚合主要内容10.1交换机组网环路问题为了避免单点故障双汇聚交换机，这就出现了环路

10.1交换机组网环路问题交换机环路是指在网络中存在冗余链路时，由于错误的配置或连接，导致数据包在网络中不断循环传输的现象。交换机环路会带来以下严重问题：广播风暴：大量的广播数据包在网络中无限循环，占用大量网络带宽，导致正常数据无法传输。MAC地址表不稳定：交换机不断学习和更新错误的MAC地址信息，导致MAC地址表混乱。网络拥塞：过多的重复数据包使网络拥塞，严重降低网络性能。设备高负荷：交换机处理大量重复数据包，导致设备CPU利用率升高，甚至可能导致设备死机。环路产生广播风暴使用生成树协议（STP）或其改进版本（如RSTP、MSTP）来防止环路的产生，当发现环路时，会自动阻塞某些冗余链路。通过端口镜像，将疑似存在环路的端口流量镜像到分析设备上，使用抓包工具分析是否存在大量重复的数据包。查看交换机的日志和告警信息，可能会提示存在环路。观察交换机的指示灯，如果某些端口的指示灯快速闪烁或常亮，可能存在环路。为了检测和解决交换机环路问题可以采取以下方法10.2生成树协议华为交换机生成树协议默认使用MSTP模式，本书演示将生成树协议更改为RSTP模式。在描述生成树协议之前，我们还需要了解桥（Bridge）、桥的MAC地址（BridgeMACAddress）、桥ID（BridgeIdentifier，BID）、接口ID（PortIdentifier，PID）几个基本术语。10.2.1STP版本和生成树相关术语桥（Bridge）目前，“桥”和“交换机”这两个术语是完全混用的，本书也采用了这一混用习惯。桥的MAC地址（BridgeMACAddress）端口编号最小的那个端口的MAC地址作为整个桥的MAC地址。桥ID（BridgeIdentifier，BID）桥ID由两部分组成，前面2个字节是这个桥的桥优先级，后面6个字节是这个桥的MAC地址。桥、桥的MAC地址、桥ID端口ID（PortIdentifier，PID）一个桥（交换机）的某个端口的端口ID的定义方法有很多种，给出了其中的两种定义。在第一种定义中，端口ID由两个字节组成，第一个字节是该端口的端口优先级，后一个字节是该端口的端口编号。在第二种定义中，端口ID由16个比特组成，前4个比特是该端口的端口优先级，后12比特是该端口的端口编号。端口ID生成树协议（SpanningTreeProtocol，STP）的基本原理，就是在具有物理环路的交换网络中，交换机通过运行STP协议，自动生成没有环路的网络拓扑。10.2.2生成树协议工作工程（1）选举根桥（RootBridge）。（2）为非根桥交换机选定根端口（RootPort，RP）。（3）为每条链路两端连接的端口选定一个指定端口（DesignatedPort，DP）。（4）阻塞备用端口（AlternatePort，AP）生成树协议工作过程根桥是STP树的根节点。要生成一棵STP树，首先要确定出一个根桥。根桥是整个交换网络的逻辑中心，但不一定是它的物理中心。当网络的拓扑发生变化时，根桥也可能会发生变化。运行STP协议的交换机（简称为STP交换机）会相互交换STP协议帧，这些协议帧的载荷数据被称为BPDU（BridgeProtocolDataUnit，网桥协议数据单元）。STP交换机初始启动之后，都会认为自己是根桥，并在发送给别的交换机的BPDU中宣告自己是根桥。最终选举出一台BID最小的交换机作为根桥。1.选举根桥（RootBridge）根桥确定后，其他没有成为根桥的交换机都被称为非根桥。台非根桥设备上可能会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口”的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。一台非根桥设备上最多只能有一个根端口。STP协议把根路径开销作为确定根端口的一个重要依据。一个运行STP协议的网络中，我们将某个交换机的端口到根桥的累计路径开销（即从该端口到根桥所经过的所有链路的路径开销的和）称为这个端口的根路径开销（RootPathCost，RPC）。2．选定根端口端口速率路径开销（IEEE802.1t标准）10Mbit/s2000000100Mbit/s2000001000Mbit/s2000010Gbit/s2000S1为根桥，假设S4到根桥的路径1开销和路径2开销相同，则S4会对上行设备S2和S3的网桥ID进行比较，如果S2的网桥ID小于S3的网桥ID，S4会将自己的G0/0/1确定为自己的根端口；如果S3的网桥ID小于S2的网桥ID，S4会将自己的G0/0/2确定为自己的根端口。对于S5而言，假设其GE0/0/1端口的RPC与GE0/0/2的端口RPC相同，由于这两个接口的上行设备同为S4，所以S5还会对S4的GE0/0/3和GE0/0/4端口的PID进行比较，如果S4的GE0/0/3端口PID小于GE0/0/4的PID，则S5会将自己的GE0/0/1作为根端口2．选定根端口指定端口也是通过比较RPC来确定的，RPC较小的端口将成为指定端口，如果RPC相同，则先比较BID，如果BID相同比较接口的PID，值小的那个接口成为指定端口。对于S3的GE0/0/2和S2的GE0/0/2之间的网段来说，S3的GE0/0/2端口的RPC与S2的GE0/0/2端口的RPC相等的，所以需要比较S3的BID和S2的BID。假定S2的BID小于S3的BID，则S2的GE0/0/2端口将被确定为S3的GE0/0/3和S2的GE0/0/2之间的网段的指定端口。3．选定指定端口确定了根端口和指定端口后，剩下的端口就是非指定端口和非根端口，这些端口统称为备用端口。STP会对这些备用端口进行逻辑阻塞。所谓逻辑阻塞，是指这些备用端囗不能转发由终端计算机产生并发送的帧，这些帧也被称为用户数据帧。不过，备用端口可以接收并处理STP协议帧，根端口和指定端口既可以发送和接收STP协议帧，又可以转发用户数据帧。4.阻塞备用端口10.3生成树协议的版本CTP--CommonSpanningTreeCST的协议号有802.1D，如果交换机运行在CST的模式下，不管交换机中有多少个VLAN，所有的流量都会走相同的路径。RSTP--RapidSpanningTreeProtocolRSTP称为快速生成树，协议号有802.1W；接口的状态只有三种，分别是Discarding、Learning、Forwarding。MSTP--MutipleSpanningTreeProtocol多生成树协议（MultipleSpanningTreeProtocol，MSTP）是IEEE802.1s中定义的一种新型生成树协议。MSTP中引入了“实例”（Instance）和“域”（Region）的概念。所谓“实例”，就是多个VLAN的一个集合，这种将多个VLAN捆绑到一个实例中的方法可以节省通信开销和资源占用率。10.3生成树协议有三个版本STP适用于较小规模的网络，但它的收敛速度较慢，对网络中的拓扑变化反应不够迅速。STP（生成树协议）定义了以下5种端口状态：禁用（Disabled）：端口处于管理性关闭状态，不参与生成树的计算和数据转发。阻塞（Blocking）：端口不转发数据帧，只接收BPDU（桥协议数据单元）。此状态用于防止环路的产生。监听（Listening）：端口接收和发送BPDU，确定网桥端口角色，但不转发数据帧。学习（Learning）：端口开始构建MAC地址表，但仍不转发数据帧。转发（Forwarding）：端口正常转发数据帧和BPDU。10.3.1STP根端口（RootPort）：非根网桥到根网桥路径开销最小的端口。每个非根网桥有且仅有一个根端口，用于接收来自根网桥的配置消息。指定端口（DesignatedPort）：每个网段都有一个指定端口，用于转发数据包。根网桥上的所有端口都是指定端口，网段中到根网桥路径开销最小的端口会成为指定端口。阻塞端口（BlockedPort）：既不是根端口也不是指定端口的端口，处于阻塞状态，不转发数据帧，只接收BPDU（桥协议数据单元）来监听网络变化。STP（生成树协议）端口角色在STP网络中，如果新增或减少交换机，或者更改了交换机的网桥优先级，或者某条链路失效，那么STP协议有可能要重新选定根桥，为非根桥重新选定根接口，以及为每条链路重新选定指定接口，那些处于阻塞状态的接口有可能变成转发接口，这个过程需要几十秒的时间（这段时间又称为收敛时间），在此期间会引起网络中断。为了缩短收敛时间，IEEE802.1w定义了快速成树协议（RapidSpanningTreeProtocol，RSTP），RSTP在STP的基础上进行了许多改进。在现实网络中STP几乎已经停止使用，取而代之的是RSTP。10.3.2RSTP收敛速度：RSTP的收敛速度比STP快得多。STP的收敛通常需要30到50秒，而RSTP可以在几秒内完成收敛。端口角色：STP有根端口（rootport，RP）、指定端口（designatedport，DP）和阻塞端口（blockingport，BP）三种端口角色；RSTP在其基础上增加了备用端口（alternateport，AP）和边缘端口（edgeport，EP）角色。备用端口作为去往根桥的次优端口，可在根端口失效时成为新的根端口；边缘端口直接连接终端设备，不参与生成树的计算，可直接进入转发状态。端口状态：STP有5种端口状态（禁用、阻塞、监听、学习、转发），RSTP则简化为3种（丢弃、学习、转发）。拓扑变更机制：在STP中，只有当非边缘端口迁移到转发状态时，才会引发拓扑变更。而在RSTP中，只要一个端口从阻塞状态迁移到转发状态，就会引起拓扑变更。配置消息传播方式：STP的配置消息（BPDU）只有在根网桥指定的时间间隔内才会发送。RSTP则在每个Hello时间内都会发送配置消息，加快了信息的传播。STP和RSTP的主要区别STP和RSTP对比STPRSTP端口状态禁用阻塞监听学习转发学习转发丢弃端口角色根端口指定端口阻塞端口根端口指定端口阻塞端口备用端口边缘端口生成树阻断接口不转发业务数据，带宽就被浪费。如果VLAN多，可以配置多生成树协议MSTP。MSTP中引入了“实例”（Instance）和“域”（Region）的概念。所谓“实例”，就是多个VLAN的一个集合，这种将多个VLAN捆绑到一个实例中的方法可以节省通信开销和资源占用率。MSTP各个实例拓扑的计算是独立的，在这些实例上就可以实现负载均衡。10.3.3MSTPMSTP实例1根VLAN10VLAN10VLAN20VLAN20实例2根ABMSTP适用于大型、复杂的企业网络，尤其是那些有大量VLAN并且对网络可靠性和性能要求较高的环境。多实例支持：MSTP允许将一个交换网络划分成多个域，每个域内可以运行多个生成树实例。这样可以实现针对不同VLAN的流量负载均衡和冗余备份。灵活的VLAN映射：可以将不同的VLAN映射到不同的生成树实例，从而更好地管理网络流量和提高网络资源的利用率。快速收敛：当网络拓扑发生变化时，能够相对快速地重新计算生成树，减少网络中断时间。兼容性：与传统的STP和RSTP兼容，便于在现有网络基础上进行升级和部署。提高链路利用率：通过合理的VLAN到生成树实例的映射，可以更有效地利用网络链路，避免某些链路闲置而某些链路负载过重。MSTP主要特点和优势10.4实战：配置RSTP查看生成树协议的版本更改生成树协议的版本为RSTP确定根桥指定SW2为根桥指定SW3为备用的根桥将SW1连接计算机的接口配置为边缘端口10.4实战：配置RSTP在SW2上查看桥的MAC地址。<SW2>displaybridgemac-addressSystembridgeMACaddress:4c1f-cc95-3b18查看生成树<SW2>displaystp-------[CISTGlobalInfo][ModeMSTP]---------生成树协议的版本默认为MSTPCISTBridge:32768.4c1f-cc95-3b18--该交换机的桥IDConfigTimes:Hello2sMaxAge20sFwDly15sMaxHop20ActiveTimes:Hello2sMaxAge20sFwDly15sMaxHop20CISTRoot/ERPC:32768.4c1f-cc95-3b18/0--根桥ID、到根桥的开销CISTRegRoot/IRPC:32768.4c1f-cc95-3b18/0查看网桥ID和STP配置

配置三个交换机，将生成树协议设置为RSTP。[SW2]stpmoderstp[SW3]stpmoderstp[SW1]stpmoderstp查看生成树配置[SW3]displaystp-------[CISTGlobalInfo][ModeRSTP]---------生成式版本为RSTPCISTBridge:32768.4c1f-cca8-0b5cConfigTimes:Hello2sMaxAge20sFwDly15sMaxHop20ActiveTimes:Hello2sMaxAge20sFwDly15sMaxHop20CISTRoot/ERPC:32768.4c1f-cc95-3b18/20000--根桥，到根桥的开销CISTRegRoot/IRPC:32768.4c1f-cca8-0b5c/0CISTRootPortId:128.1--根端口的PID更改生成树版本为RSTP<SW1>displaystpbriefMSTIDPortRoleSTPStateProtection0Ethernet0/0/1DESIFORWARDINGNONE--连接计算机的接口为指定端口0Ethernet0/0/2DESIFORWARDINGNONE0Ethernet0/0/3DESIFORWARDINGNONE0Ethernet0/0/4DESIFORWARDINGNONE0GigabitEthernet0/0/1ROOTFORWARDINGNONE--根端口0GigabitEthernet0/0/2ALTEDISCARDINGNONE--备用端口在SW1上查看生成树摘要信息SW2的优先级，让其优先成为根桥，更改SW3的优先级，让其成为备用根桥。[SW2]stp

priority

? --查看优先级取值范围

INTEGER<0-61440>

Bridge

priority,

in

steps

of

4096

--优先级取值范围，取值是4096的倍数[SW2]stppriority0--优先级设置为0[SW3]stp

priority

4096

--优先级设置为4096也可以使用以下命令将SW2的优先级设置为0。[SW2]stp

root

primary也可以使用以下命令将SW3的优先级设置为4096。[SW3]stp

root

secondary更改网桥优先级边缘端口直接连接终端设备，不参与生成树的计算，可直接进入转发状态。将SW1连接计算机的端口配置为边缘端口。[SW1]port-groupg1[SW1-port-group-g1]group-memberEthernet0/0/1toEthernet0/0/4[SW1-port-group-g1]stpedged-portenable在接入层交换机配置边缘接口10.5链路聚合介绍链路聚合实现链路聚合的条件链路聚合技术的使用场景链路聚合的模式负载分担模式实战：配置链路聚合10.5链路聚合多条上行链路STP阻塞其中一条链路的一个端口根据扩展链路带宽的需求，需要让链路两端的设备将多条链路视为一条逻辑链路进行处理，这就是链路聚合技术。10.5.1链路聚合简介每个eth-trunk接口下最多可以包含8个成员接口；成员接口不能配置任何业务和静态MAC地址；成员接口加入eth-trunk时，必须为缺省的hybrid类型接口；eth-trunk接口不能嵌套，即成员接口不能是eth-trunk；一个以太网接口只能加入到一个eth-trunk接口，如果需要加入其它eth-trunk接口，必须先退出原来的eth-trunk接口；一个eth-trunk接口中的成员接口必须是同一类型，例如FE口（快速以太网接口）和GE口（千兆以太网接口）不能加入同一个eth-trunk接口；可以将不同接口板上的以太网接口加入到同一个eth-trunk；如果本地设备使用了eth-trunk，与成员接口直连的对端接口也必须捆绑为eth-trunk接口，两端才能正常通信；当成员接口的速率不一致时，实际使用中速率小的接口可能会出现拥塞，导致丢包；当成员接口加入eth-trunk后，学习MAC地址时是按照eth-trunk来学习的，而不是按照成员接口来学习。10.5.2实现链路聚合的条件10.5.3链路聚合技术的使用场景建立链路聚合（后文称为Ethan-Trunk）也像设置端口速率一样有手动配置和通过双方动态协商两种方式。在华为的Eth-Trunk语境中，前者称为手动模式（ManualMode)，而后者则根据协商协议被命名为了LACP模式（LACPMode)。首先，我们先从非常简单的手动配置方法说起。10.5.4链路聚合的模式手动模式Eth-Trunk使用故障连接外的其他链路执行负载分担。手动模式Eth-Trunk链接错误无法正常通信。链路聚合--手动模式LACP为链路聚合控制协议（LinkAggregationControlProtoco），这个协议旨在为建立链路聚合的设备之间提供协商和维护这条Eth-Trunk的标准。LACP模式Eth-Trunk的配置也不复杂，管理员只需要首先在两边的设备上创建出Eth-Trunk逻辑端口，然后将这个端口配置为LACP模式，最后再把需要捆绑的物理端口添加到这个Eth-Trunk中即可。链路聚合--LACP模式Eth-Trunk支持基于报文的IP地址或MAC地址进行负载分担，可以配置不同的模式（本地有效，对出方向报文生效）将数据流分担到不同的成员接口上。常见的负载分担模式有：源IP地址、目标IP地址、源MAC、目标MAC，源目IP地址、源目MAC。实际业务中用户需要根据业务流量特征配置合适的负载分担方式。业务流量中某种参数变化频繁（也就是数量多），选择与此参数相关的负载分担方式负载均衡程度就高。如果报文的IP地址变化较频繁，那么选择基于源IP、目的IP或者源目IP的负载分担模式更有利于流量在各物理链路间合理的负载分担。如果报文的MAC地址变化较频繁，IP地址比较固定，那么选择基于源MAC、目的MAC或源目MAC的负载分担模式更有利于流量在各物理链路间合理的负载分担。10.5.5负载分担模式基于源MAC和目标MAC的负载分担模式应用场景基于IP地址和目标IP地址负载分担