企业三层架构、冗余、STP生成树协议总结

总结
1.企业三层架构
2. 冗余（线路冗余+设备冗余）
3. STP生成树协议：IEEE802.1D，PVST+，802.1W，RSTP（rpvst），802.1S（MST）

企业三层架构（内网结构）
接入层： 常使用二层交换机，就近提供接口密度，用于用户的接入
汇聚层（分布层）： 集合所有接入层流量（星型），对流量实施管理和策略
核心层： 路由转发，高速转发，nat，QOS

最标准的三层架构，路由器分三层，交换机分三层：

中小型企业最常见的三层架构：

路由器连接ISP（另一台也连接ISP备份）

BCMSN-----交换技术主要应用于汇聚和接入层；-----
VLAN/TRUNK/VTP/DTP/STP/CHANNEL/HSRP…/VPC等

三层架构中最重要的思想为冗余（备份）
线路冗余
设备冗余
网关冗余
UPS（电源冗余）

一、线路冗余：
一旦在交换机上使用链路冗余，那么将出现二层的桥接环路；因为CAM是流量触发交换机生成的，该表默认并没有被管理；
只要路由表不成环路，就不会成环，交换机只要连接成环路，就成环。
二层桥接环路导致的问题：
1）广播风暴
2）CAM表记录翻滚

CAM表生成后会存储300秒，5分钟之后表会刷新，刷新是指最后一次有A的流量上来，超时更新；换接口后触发实时刷新，触发更新。
3）重复拷贝同一个数据帧

STP：生成树协议-----树根设备到每台交换机仅存在一条链路（最佳）；逻辑的阻塞部分接口；
当最佳路径故障时，阻塞端口被打开，来恢复通讯；

STP：【1】IEEE802.1D
交换机间沟通时使用的数据帧-----BPDU桥协议数据单元-----跨层封装到二层；
BPDU数据帧默认不属于任何一个vlan，故在存在vlan的设备上，该数据帧基于native vlan发送；
3类BPDU：
1）配置BPDU-----拓扑收敛完成后，仅根网桥周期（2s）发送；在没有跟网桥的时候，所有设备均发送BPDU，然后选出根网桥；

2）TCN-----拓扑变更消息-----包中不包含任何具体信息，也不会导致网络重新收敛；
当一台交换机的阻塞端口链路被断开，那么将标记位flag中的第七位置1，表示拓扑已经改变，该BPDU将发送到根网桥处，根网桥使用标记位第0位，来表示确认；若没有收到ack，那么2s周期发送TCN；根网桥在确认后，将使用BPDU告诉所有的非根网桥，刷新cam表；
默认cam的保存周期为300s；

3）次优BPDU-----非根网桥上的根端口断开-----接收不到根网桥的BPDU了，同时本地断开的也不是阻塞端口；那么本地将自己定义为根网桥，发出BPDU，由于该BPDU次于根网桥的，故称为次优BPDU；
总结：根网桥发配置BPDU，包含拓扑信息
非根网桥的阻塞端口被断开，但依然可以与根网桥沟通，那么发送TCN，不包含拓扑信息，不会使网络重新收敛。
非根网桥上断开了根端口后，若不能再与根网桥沟通，将本地定义为根网桥发送次优BPDU，包含本地的拓扑信息-----也是配置BPDU，但不是根网桥的。

802.1D算法需要在整个拓扑中，选择4种角色：
1. 根网桥（一台交换机）
2. 根端口-RP
3. 指定端口-DP
4. 非指定端口（阻塞端口）-NDP

选举根网桥：
开始整个交换网络没有根网桥，所有设备均认为本地为根网桥，发送本地BPDU；
当收集到整个交换网络的BPDU后，根网桥被选；之后由根网桥基于所有的BPDU，生成拓扑，使用配置BPDU来告知其他的交换机；

1. 根网桥是整个交换网路的中心；通过BPDU来控制整个网络收敛。
   选举条件-----协议ID-----BID（桥ID）=网桥优先级+mac地址
   网桥优先级-----0-65535 默认32768
   MAC地址-----正常的透明交换机不拥有mac地址，不能实现STP技术
   非透明交换存在-----SVI接口，出厂将被烧录mac地址；若有多个，将选择数字最小的来参选。
   选举规则：先比较优先级，数值小优； 若优先级一致，比较MAC地址，数值小优。

2. **根端口-----每台非根网桥上，有且仅有一个；**离根网桥最近的接口，接收来自根网桥的BPDU；并且可以正常转发用户的数据流-----非阻塞；
   1）比较从该接口进入时的cost值，小优；
   
   2）若接口cost值相同，比较接口上级设备的BID，BID最小设备对应的接口为根端口，因为该设备为备份根网桥；
   
   3）再比较上级设备的PID：端口ID，由优先级+接口编号构成
   优先级 0-255 默认为128； 先比较优先级，小优；再比较接口编号，小优；
   

4）若以上参数全部一致，比较本地的PID；小优；

3. 指定端口-----每条链路上有且仅有一个；
   
   
   转发来自根网桥的BPDU，根网桥上全部为指定端口，根端口的对端一定是指定端口；

1）比较从根网桥发出的BPDU，通过该端口向外（出向）转发时消耗的cost值，小优；

2）若出向cost值相同，比较本地的BID，小优；

3）本地BID相同，比较本地的PID，小优；

4）本地PID相同，直接阻塞该端口；

4. 非指定端口-----NDP-----阻塞端口；
以上所有角色选举完成后，剩余的全部接口为非指定；其状态为阻塞；
注：阻塞端口并不是关闭接口，依然可以接收到数据帧，但不转发数据帧；可以正常识别BPDU；

Cost值：cost值是在进入交换机时，才叠加该段链路的开销；
链路带宽为10M =Cost值为 100
100M =19
1000M=4
10000M=2
.>10000M=1

注：生成树协议，cisco产品默认运行，个别厂商需要手工开启-例：H3C
一旦运行将自动选择出所有的角色，当默认可能不是最佳结构，需要管理员手工干预，尤其根网桥一定放置在汇聚层；

{2} 802.1D的端口状态
Down-----接口指示灯未亮（模拟器为红色），接口未工作；
侦听-----（15s） 接口指示灯为橙色，各台交换机收发BPDU，选举出各种角色；
学习-----（15s） 接口指示灯为橙色，交换机上的各个未阻塞接口学习各个用户的MAC地址，生成cam表；
转发-----接口指示灯为绿色，指定端口和根端口在学习状态完成后进入-----转发用户流量；
阻塞-----接口指示灯为橙色，非指定端口在侦听完成后就进入；

结论：802.1D必须在指示灯为绿色时，才开始转发用户流量；

{3} 802.1D算法的收敛时间
1.初次收敛为30s
2.结构变化

1）存在直连检测-----本地的根端口断开后，之后仅有一条阻塞端口连接于其他交换机；本地不能发出TCN，也发不出次优BPDU；那么只能本地的阻塞端口进行收敛-----30s

本地的根端口断开后，该阻塞端口立刻进行15s侦听+15s学习

2）没有直连检测-----本地根端口断开后，可以向其他交换机的阻塞端口发送次优BPDU；对端交换机在收到次优BPDU后，将忽略该数据帧，而是进行20s hold time；之后再收敛该接口-----20s hold time+30s收敛=50s

20s hold time+30s收敛=50s

802.1d算法的缺点：
4. 收敛速度慢
5. 链路利用率低-----备份链路正常始终不工作

【2】PVST cisco私有-----基于vlan的生成树
1）每个vlan一棵生成树；因为cisco存在独立的vlan运行芯片，故可以支持很多的树；
每棵独立的树，依然使用802.1d算法收敛；
2）不同vlan的网桥优先级不同，优先级=32768+vlan id；人为可修改32768的部分，且只能以4096的倍数来进行修改；

切记：一台设备若希望加入某棵vlan的树，条件是该交换机存在该vlan；该交换机存在该vlan的活动接口或者存在trunk干道；

缺点：
1.私有
2. 树多较难管理
3. 收敛慢
4. Trunk干道仅支持ISL封装

【3】PVST+ 中低端cisco交换机默认运行的协议；
在PVST的基础上进行了部分的升级优化：
1.兼容802.1q trunk干道封装
2. 可以做部分的加速优化

干涉选举的命令：
Switch(config)#spanning-tree vlan 2 priority 28672 修改设备的网桥优先级

本地成为vlan1的主根，vlan2的备份根；建议在两台汇聚层设备上分流，互为备份；不一定生效-----主根的意思是自动降低本地2个4096优先级，备份降1个；
sw1(config)#spanning-tree vlan 1 root primary
sw1(config)#spanning-tree vlan 2 root secondary

修改接口优先级或接口cost值
CORE(config)#interface f0/1
CORE(config-if)#spanning-tree vlan 1 ?
cost Change an interface’s per VLAN spanning tree path cost
port-priority Change an interface’s spanning tree port priority

2.部分加速
1）端口加速
sw1(config)#interface f0/7
sw1(config-if)#spanning-tree portfast 用于连接用户的接口；
跳过生成树选举，直接进入转发状态；切记不得配置于连接trunk干道的接口；
sw1(config-if-range)#switchport host 将接口定义为主机接口-----连接PC的接口
修改模式为access，开启portfast

2）上行链路加速-----仅用于接入层设备
在设备上运行上行链路加速后，若该设备满足直连检测条件；那么将阻塞端口直接变为根端口，进入转发状态；
CORE(config)#spanning-tree uplinkfast
注：开启后，该交换机的网桥优先级和cost值将倍增，迫使该设备在默认情况下不会成为根网桥，且阻塞端口处于该设备，故该命令只敢在接入层设备配置。

3）骨干加速-----所有交换机
若一个阻塞端口收到次优BPDU时，将20s hold time+30s收敛，开启骨干加速后，省略20s的hold time。

优点：

1. 一个vlan一棵树，提高链路的利用率
2. 部分加速
3. 兼容802.1q

缺点：

1. 树多，不好管理
2. 加速不够彻底

【4】RSTP-RPVST（快速的PVST协议） cisco私有
公有组织802.1w（802.1D的快速版）

RSTP与802.1w的区别：
两种协议，均为快速收敛，在1-2s内完成收敛，提速的原理一致
RSTP: Cisco有基于vlan的运算芯片，故RSTP依然是一个vlan一棵树。
802.1W: 802.1w是整个交换网络一棵树。

快速的原理：

1. 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；
2. 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；
3. BPDU的保活为6s；hello time为2s；
4. 将端口加速（边缘接口）、上行链路加速、骨干加速集成了；
5. 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；
6. 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；
   

状态变化：将阻塞状态和侦听状态，合为丢弃状态。
角色变化：将非指定端口为分为AP（替代接口）和BP（备份接口）。
无论AP还是BP其实就是802.1D中的阻塞端口，AP为对端设备，BP为本端设备。

启动快速生成树，所有交换机需全部启动
sw1(config)#spanning-tree mode rapid-pvst
注：所有干涉选举的命令和pvst+一致

切记：
默认接口为半双工（10M）时，接口类型为共享；全双工时为点到点；
共享型接口依然运行慢速生成树；只有点到点接口可以快速；
故建议将共享型接口修改为点到点型；
sw1(config)#interface range ethernet 0/0 -1
sw1(config-if-range)#spanning-tree link-type point-to-point