生成树的冗余与负载分担技术

   交换层有三个地方涉及到冗余与负载分担，分别是生成树、EC以太网通道、FHRP网关协议。本文关于生成树相关的实现技术。生成树（包括stp、rstp、mstp）的三层主要功能由低至高分别为：防环收敛、冗余备份、负载均衡。首先说明，冗余与负载分担是两个概念。冗余往往与备份是联系在一起的，单纯有冗余技术并不一定能实现负载分担。而负载分担技术是依赖于冗余的。

1、STP（Spanning-Tree Protocol）

   STP协议生来就是为了冗余而存在的，单纯树型的网络无法提供足够的可靠性，由此我们引入了额外的链路， 这才出现了环路这样的问题。但单纯是标准的802.1D STP协议并不能实现真正的冗余与负载分担。

   STP为IEEE 802.1D标准，它内部只有一棵STP tree，因此必然有一条链路要被blocking，不会转发数据，只有另外一条链路出现问题时，这条被blocking的链路才会接替之前链路所承担的职责，做数据的转发。无论怎样，总会有一条链路处于不被使用的状态，冗余是有了，但是负载分担是不可想象的。

   cisco对STP做了改进，它使得每个VLAN都运行一棵stp tree，这样第一条链路可以为vlan 1 2 3服务，对vlan 4 5 6 blocking，第二条链路可以为vlan 4 5 6 forwarding，对vlan 1 2 3关闭，无形中实现了链路的冗余，负载分担。这种技术被称之为PVST+。

   随着网络的发展，人们发现传统的STP协议无法满足主备快速切换的需求，因为STP协议将端口定义了5种状态，分别为：blocking listening learning forwarding disabling，想要从blocking切换至forwarding状态，必需要经过50秒的周期，这50秒我们只能被动地去等待。20秒的blocking状态下，如果没有检测到邻居发来的BPDU包，则进入listening，这时要做的是选举Root Bridge、Designate Port、Root Port，15秒后，进入learning，learning状态下可以学习MAC地址，为最后的forwarding做准备，同样是15秒，最后到达转发状态。这样的延时在现代网络环境下是让人极为难以忍受的。

2、RSTP（802.1w）
   RSTP的出现解决了延时的问题，它的收敛速度很快，当然CISCO也针对这种技术推出了自 已的RPVST+技术。RSTP在STP基础上额外定义了两种port role（注意这里的概念，端口角色），分别是alternate与backup。另外重新规定了 port state（端口状态），分别为discarding、Learning、Forwarding. 

   STP的一大失败之处在于混淆了port role与port state两种概念，在RSTP上，这样的问题不再存在了，port state与port role无关了。alternate port责任是为另一台交换机上的链路作备份，而backup port是为本交换机上的端口作备。

7	6	5	4	3	2	1	0
TC	Proposal	Port-	role	learning	forwarding	Agreement	TCA

   RSTP最重要的变化在于对BPDU中type字段的利用上，之前STP只使用了其中的两个位，另外6个位中实现了很多的功能，包括不再需要去等待50秒的时间完成主备切换，直接利用proposal与agreement协商即可，这样大大缩短了收敛时间。

   RSTP还定义了两个新的概念：edge port与link type，如果是edge port，表明下面接的只能是主机，环路的存在是不可能的，所以我们可以直接将其从discarding切换到forwarding状态，类似于STP中的port fast技术。而link type定义了这条链路是point-to-point的还是shared。如果有pt-pt环境下，我们就可以做快速的切换了。

3、MSTP（802.1s）

   STP和RSTP都采用了一棵STP tree，负载分担不可实现，而CISCO的PVST+与RPVST+采用了每个VLAN一棵生成树，虽然实现了负载分担，但是会占用非常多的CPU时间。这也正是MSTP（802.1s）产生的原因。

   MSTP可以将多个VLAN的生成树映射为一个实例，即vlan map to a instance，我们不需要那么多的生成树，只需要按照冗余链路的条数来得出需要几棵生成树。

   如果只有两条链路，并且有1-1000个VLAN，我们可以将1-500定义为instance 1，将501-1000定义到instance 2。只生成两棵树1和2，同样实现了冗余与负载分担。

MSTP是基于RSTP的，没有RSTP，MSTP是无法运行的。

另：

PVST+ 与 RPVST+ 模式下：交换机可支持128个STP instance。

MSTP模式下：交换机可支持65个MST instance，当然每个实例中的VLAN数目是无限的。

4.Ether channel

   其实channel技术不仅仅是接口的绑定，通常当我们骨干链路带宽不足的时候，可能会想到绑定多条链路，这时候自然会用到ether-channel技 术，它把多条物理接口绑定为一个逻辑接口，最多可绑定8个接口，实现1600G的带宽绑定效果。但是实际上数据的传输过程中仍然是通过物理的接口来转发的。这就为我们做负载分担又提出了一种方案。我们可以根据源、目的IP地址来做负载分担，也就是一条会话。第一条会话走第1个接口，第2条会话自动切换到第2个物理接口去做转发。。。。。。这样就不会使大量的数据都通过物理接口1来做转发了。

   Ether Channel可以通过手动指定，当然也可以动态形成，这就需要提到另外两种技术，一种是思科私有的PAGP,另外一种是IEEE标准的LACP（802.3ad），我们只需要注意他们的协商方式。

接口模式：on、desirable、auto：

   配置为on时，表示不接受PAGP的动态协商，要完全手工指定，也就是两端必须一致配置为on模式，否则无法绑定。

   desirable表示主动协商，如对端为desirable或auto都可形成channel。

   auto表示被动协商，如果对端为auto，就无法形成channel，这时必须对端为desirable。

   这其实很好理解，但是为什么要注意它，是因为我们在trunk的建立时，也有几种类似的模式，而trunk中的这几种模式非常混乱，无论如何都能动态协商成功，比如on和desirable是可以协商成功的。

   LACP的接口模式有PAGE不同，但是意义类似它们分别是：on、off、passive、active。

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