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HCIP STP生成树

武飞扬头像
埋头苦干的小冯
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目录

一、STP概述

二、生成树协议原理

三、802.1D生成树

四、STP的配置BPDU

1、配置BPDU的报文格式

2、配置BPDU的工作过程

3、TCN BPDU

4、TCN BPDU的工作过程

五、STP角色选举

1、根网桥选举

2、根端口选举

3、指定端口选举

4、非指定端口选举

六、STP的接口状态

1、接口状态

2、接口状态迁移

3、首次收敛

七、STP基本配置

1、配置生成树工作模式

2、配置网桥(可选)

3、备份根桥(可选)

4、配置交换机的STP优先级

5、配置接口路径开销(可选)

八、RSTP--快速生成树协议

1、802.1D生成树的缺点

2、快速生成树(RSTP)的改进点

1)端口角色

2)端口状态

3)RST BPDU

4)快速收敛机制

5)配置BPDU的处理

6)BPDU保护功能

3、快速生成树的原理

九、MSTP--多生成树协议

1、STP、RSTP缺点

2、MSTP概述

3、MST Region

4、MSTP配置

1)配置首生成树工作模式

2)启用MSTP

3)配置MST域

① 进入MST域视图

② 配置MST域的域名

③ 配置多生成树实例与VLAN的映射关系

           ④ 激活MST域的配置

4)MSTP配置根桥和备份根桥

5)修改优先级--可选


一、STP概述

以太网交换机网络中为了进行链路备份,提高网络的可靠性,通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路,引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象,从而导致用户通信质量较差,甚至通信中断。为了解决交换网络中的环路问题,提出了生成树协议(STP)--Spanning Tree Protocol。

学新通

二、生成树协议原理

在二层交换网络中,逻辑的阻塞部分的接口,实现从根交换机到所有节点唯一的路径且为最佳路径,生成一个没有环路的拓扑,当最佳路径出现故障时,个别被阻塞的接口将打开,形成备份链路。生成树在生成过程中,应该尽量的生成一棵星型结构,且最短路径树;

三、802.1D生成树

生成树是相对比较早的一个协议了,所以,也经历了多种版本的更替。我们现在常见的主要是802.1D生成树,RSTP快速生成树协议--定义在802.1W中,也被称为802.1W生成树,MSTP多生成树协议--定义在802.1S中,也被称为802.1S生成树。

四、STP的配置BPDU

所谓BPDU---Bridge Protocol Data Unit,网桥协议数据单元--其实就是生成树需要发送的数据包的叫法。

        BPDU是能够正常工作的根本,BPDU是STP的协议报文。

        STP交换机之间会交互BPDU报文,这些BPDU报文携带着一些重要信息,正是基于这些信息,STP才能够顺利工作。

PBDU主要分为两大类:1、配置BPDU;2、TCN-BPDU。其中配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键;TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会触发。

1、配置BPDU的报文格式

学新通

学新通

2、配置BPDU的工作过程

所有交换机刚启动,所有接口都激活STP,一开始,并不知道谁是根,则所有设备都将自己判定为根网桥,从自己的所有激活了STP的接口发送配置BPDU,则其中将包含本机参数。之后,所有设备都交换参数后,将根据参数数值进行选举,之后将选举一个真正的根网桥。之后,只有根网桥将周期的发送配置BPDU,而其他非根网桥只能在接受到根网桥发送BPDU后进行转发。(转发时可以修改其中的参数)---发送周期为2S,MAX AGE---20S。

3、TCN BPDU

报文格式---仅拥有配置BPDU的前三个参数,其中BPDU类型指端为0x80。

4、TCN BPDU的工作过程

本地交换机链路故障后,STP重新收敛,为了快速刷新全网所有交换机的MAC表,将向本地所有STP接口发送TCN(标记位中的TCN位置1),邻居交换机收到TCN后,先标记为ACK位为回复,用于可靠传输消息;之后将TCN逐级转发到根网桥处,由根网桥回复TC消息来逐级回复到所有交换机;使所有交换机临时将MAC表的老化时间修改为15s(默认的,转发延时)

五、STP角色选举

1、根网桥选举

学新通

在一棵生成树实例中,有且仅有一台交换机为root;

BPDU中的 桥ID来决定

桥ID= 网桥优先级(0-65535公有) 默认32768   MAC地址(只有存在svi接口的交换机才拥有mac地址,若存在多个mac选数值最小)

根网桥的选举   先比较优先级,小优;   若优先级相同,比较mac,数值小优;

2、根端口选举

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选举过程

1)首先比较根路径开销RPC,RPC值越小越优选;

2)当RPC相同时,比较上行交换机的BID,值越小越优选;

3)当上行交换机的BID相同时,比较上行交换机的PID,值越小越优选;

4)当上行PID相同时,比较本地交换机的PID,值越小越优选。

3、指定端口选举

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选举过程

1)首选比较根路径开销RPC,RPC值越小越优选;

2)当RPC相同时,则比较链路两端交换机的的BID,值越小越优选;

3)当BID相同时,比较链路两端端口的PID,值越小越优选;

4、非指定端口选举

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STP会对这些非指定端口的进行逻辑阻塞,即这些端口不能进行转发由终端计算机产生并发送的帧(用户数据帧)。

一旦非指定端口被逻辑阻塞后,STP(无环路工作拓扑就生成了)。

注:非指定端口可以接受并处理BPDU。

六、STP的接口状态

1、接口状态

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2、接口状态迁移

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1)Forwarding:转发状态,端口既可转发用户流量也可以转发BPDU,只有根端口或者指定端口才能进入Forwarding状态。

2)Learning:学习状态,端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表,但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。

3)Listening:侦听状态,端口可以转发BPDU报文,但不能转发用户流量。

4)Blocking:阻塞状态,端口仅仅能接收并处理BPDU,不能转发BPDU,也不能转发用户流量。此状态是预备端口最终状态。

5)Disabled:禁用状态,端口既不能处理和转发BPDU报文,也不能转发用户流量

学新通

3、首次收敛

首次收敛,所有设备最先进入的是阻塞状态,需要先停留20S(最大寿命时间)之后进入侦听状态,此状态停留15S选举角色,之后进入学习状态,再停留15S,总共50S。

七、STP基本配置

1、配置生成树工作模式

[Huawei]stp mode stp | rstp | mstp #三选一个模式

交换机支持STP、RSTP、MSTP三种生成树工作模式,默认情况工作再MSTP模式。

2、配置网桥(可选)

[Huawei]stp root primary 

配置挡墙设备为根桥,缺省情况下,交换机不作为任何生成树的根桥,配置后该设备优先级数值自动为0,并且不能更改设备优先级。

3、备份根桥(可选)

[Huawei]stp root secondary 

配置挡墙交换机为备份根桥,缺省情况下,交换机不作为任何生成树的备份根桥,配置后该设备优先级数值为4096,并且不能更改设备优先级。

4、配置交换机的STP优先级

  1.  
    [Huawei]stp priority ?
  2.  
    INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

缺省情况下,交换机的优先级取值是32768.

5、配置接口路径开销(可选)

  1.  
    [Huawei]stp pathcost-standard ?
  2.  
    dot1d-1998 IEEE 802.1D-1998
  3.  
    dot1t IEEE 802.1T
  4.  
    legacy Legacy

配置接口路径开销计算方法,缺省情况下,路径开销之=值得计算方法为IEEE 802.1t(dot1t)标准方法。同一网络内所有交换机得接口路径开销应使用相同得计算方法。

  1.  
    [Huawei]int g0/0/1
  2.  
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ?
  3.  
    INTEGER<1-200000000> Port path cost

设置当前接口得路径开销值。

八、RSTP--快速生成树协议

1、802.1D生成树的缺点

1)网络拓扑收敛慢,影响了用户通信质量;

2)STP没有细致区分接口状态和接口角色;

3)STP算法是被动算法,依赖定时器等待的方式判断拓扑变化,导致收敛速度慢。

4)STP算法要求在稳定的拓扑中,根桥主动发出配置BPDU,而其他设备进行处理,传遍整个STP网络,这也是导致拓扑收敛慢的原因之一。

2、快速生成树(RSTP)的改进点

1)端口角色

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RSTP的端口角色共有四种:根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口。

根端口和指定端口的作用同STP中定义,Alternate端口和Backup端口的描述如下:

从配置BPDU报文发送角度来看:

        Alternate端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

        Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

从用户流量角度来看:

        Alternate端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径,作为根端口的备份端口。

        Backup端口作为指定端口的备份,提供了一条从根桥到相应网段的备份通路。给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。

2)端口状态

RSTP的状态规范缩减为3种,根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:

        Discarding状态:不转发用户流量也不学习MAC地址;

        Learning状态:不转发用户流量但是学习MAC地址;

        Forwarding状态:既转发用户流量又学习MAC地址。

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3)RST BPDU

RSTP 的配置BPDU充分利用了STP报文中的Flag字段,明确了端口角色。

除了保证和STP格式基本一致之外,RSTP作了如下变化:

        Type字段:配置BPDU类型不再是0而是2,所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃。

        Flag字段:使用了原来保留的中间6位,这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU。

RST BPDU报文格式:

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 4)快速收敛机制

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 注:这个P/A机制是RSTP快速收敛的核心手段,因为他改变了STP依照计时器收敛的方法,可以理解为完成收敛选举后立即切换状态,完成收敛。

5)配置BPDU的处理

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6)BPDU保护功能

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 在交换机上,通常将直接与用户终端(如PC机)或文件服务器等非交换设备相连的端口配置为边缘端口。

如上图所示,SW3与某主机互联,并设置该互联接口为边缘端口;后来该主机被恶意用户侵占,并伪造RST BPDU攻击SW3,因此边缘端口会收到RST BPDU,失去边缘端口特征,并进行生成树计算。

3、快速生成树的原理

取消了计时器,而是在一个状态工作完成后,直接进入下一状态;

分段式同步,两台设备间逐级收敛;使用请求和同意标记;依赖标记位的第1和第6位

BPDU的保活为6s;hello time 2s;

将端口加速(边缘接口)、上行链路加速、骨干加速集成了

兼容802.1d和PVST,但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位,故不能快速收敛;因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛,那么其他开启快速收敛的设备也不能快速;

当tcn消息出现时,不需要等待根网桥的BPDU,就可以刷新本地的cam表;

注:RSTP配置与STP一样,只需要修改模式为RSTP即可。

九、MSTP--多生成树协议

1、STP、RSTP缺点

RSTP在STP基础上进行了改进,实现网络拓扑快速收敛,但在划分VLAN的网络中运行RSTP/STP,局域网所有的VLAN共享一颗生成树,被阻塞后的链路将不承载任何流量,无法在VLAN间实现流量的负载均衡,导致链路带宽利用率、设备资源利用率较低。

为了弥补RSTP/STP的缺陷,IEEE2002年发布了802.1S标准MSTP--多生成树协议,MSTP兼容STP和RSTP,通过建立多颗无环的树,解决广播风暴并实现冗余备份。

2、MSTP概述

MSTP是IEEE802.1S中定义的生生成树协议,MSTP兼容STP和RSTP,既可以快速收敛,又提供了数据转发的多个冗余路径,在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

MSTP可以将一个或多个VLAN映射到一个instance(实例),再基于instance计算生成树,映射到同一个instance的VLAN共享同一棵生成树。

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如上图,经计算生成两棵生成树:

        instance1对应的生成树以SW1为根交换设备,转发VLAN1-VLAN10的报文;

        instance2对应的生成树以SW2为根交换设备,转发VLAN11-VLAN20的报文;

        不同VALN的报文沿不同的路径转发,实现了负载分担。

        注:生成树不是基于VLAN运行的,而是基于instance运行的。 

3、MST Region

学新通

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 注:instance0是缺省存在的,而缺省时,华为交换机上所有的VLAN都映射到了instance0。

通过设备VLAN映射表(即VLAN和MSTI的对应关系),把VLAN和MSTI联系起来。

每个VLAN只能对应一个MSTI,即同一个VALN的数据只能再一个MSTI中传输,而一个MSTI可能对应多个VLAN。

4、MSTP配置

1)配置首生成树工作模式

[SW1]stp mode mstp 

2)启用MSTP

[SW1]stp enable 

3)配置MST域

        ① 进入MST域视图
[SW1]stp region-configuration 
        ② 配置MST域的域名
  1.  
    [SW1-mst-region]region-name ?
  2.  
    STRING<1-32> A maximum of 32 characters can be entered
  3.  
    [SW1-mst-region]region-name xixi
       ③ 配置多生成树实例与VLAN的映射关系
  1.  
    [SW1-mst-region]instance ?
  2.  
    INTEGER<0-48> Identifier of spanning tree instance
  3.  
    [SW1-mst-region]instance 1 vlan
  4.  
    [SW1-mst-region]instance 1 vlan ?
  5.  
    INTEGER<1-4094> VLAN ID
  6.  
    [SW1-mst-region]instance 1 vlan 1 ?
  7.  
    INTEGER<1-4094> VLAN ID
  8.  
    to Range of VLAN
  9.  
    <cr>
  10.  
    [SW1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5

        ④ 激活MST域的配置

[SW1-mst-region]active region-configuration 

4)MSTP配置根桥和备份根桥

  1.  
    [SW1]stp instance ?
  2.  
    INTEGER<0-48> Identifier of spanning tree instance
  3.  
    [SW1]stp instance 1 ?
  4.  
    priority Specify bridge priority
  5.  
    root Specify root switch
  6.  
    [SW1]stp instance 1 root ?
  7.  
    primary Primary root switch #主根
  8.  
    secondary Secondary root switch #备根
  9.  
    [SW1]stp instance 1 root primary

5)修改优先级--可选

  1.  
    [SW1]stp instance 1 priority ?
  2.  
    INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

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