ovs的生成树协议(STP)实验

一、相关概念

(1) 概述

为了提高网络可靠性，交换机网络中通常会使用冗余链路，冗余链路会给交换机带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又避免环路带来的各种问题。

随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如果交换机之间仅使用一条链路互连，则可能会出现单点故障，导致业务中断。为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。 冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

(2) 广播风暴

根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。 如下图中，主机A向外发送了一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后，将其转发到SWA和SWC，SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SWB，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。
 

(3) MAC地址表震荡

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。 主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/3，并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。 SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。 SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。 SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。

(4) STP介绍

具体的介绍，可以参考下列文章，这里不再过多介绍

https://blog.csdn.net/qq_38265137/article/details/80404349

https://blog.csdn.net/network_com/article/details/106038052

二、利用ovs进行STP实验

(1) 实验拓扑

本次实验是利用ovs进行STP的验证，所以利用mininet构建的实验拓扑如下，三个交换机形成一个环路。

 拓扑的各项设置如下

(2) STP设置

对于本次实验的网络拓扑而言，若是不开启STP，网络中会产生广播风暴和mac表震荡，可以利用tcpdump抓包查看会有大量的数据包，关于没有设置STP的实验，这里不再赘述。

下面主要介绍ovs如何开启STP服务进行广播风暴的抑制。

ovs关于STP的命令如下

# 开启交换机br-int的STP
ovs-vsctl set bridge br-int stp_enable=true
# 查看交换机是否正确的开启了STP协议
ovs-vsctl get bridge br-int stp_enable

# 查看mac表
ovs-appctl fdb/show br-int
# 查看端口配置
ovs-vsctl list port br-int brint-eth1 
# 查看网桥配置
ovs-vsctl list bridge br-int

针对本次实验，接下来分别开启s1-s3的STP协议，命令如下：

ovs-vsctl set bridge s1 stp_enable=true
ovs-vsctl set bridge s2 stp_enable=true
ovs-vsctl set bridge s3 stp_enable=true

接下来，在终端命令行中输入命令h1 ping h2，然后分别用tcpdump监听s2和s3的端口，结果如下，会发现，h1可以正常ping通h3，通过抓包发现，icmp数据报经过s2向h3发送过去，并未发生广播风暴。

接下来，为了验证冗余链路的作用，也就是当根桥发生故障时，网络会不会重新的选择新的链路发送数据，将s1-s2之间的链路断开，如下图所示。

此时，再在终端命令行中输入命令h1 ping h3，如果在断开s1-s2之间的链路之后，立即进行h1 ping h3，发现不会ping通，原因如下：

在STP协议中包含一些重要的时间参数，如Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。由于断开ls1-s2的链接，所以非根桥便收不到了BPDU数据包，等待Max Age定时器超时后，就会重新选择新的链路，针对STP故障的恢复时间如下：

STP故障：

1、根桥故障：非根桥会在BPDU老化之后，开始根桥的重新选举，根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

2、直连链路故障：交换机检测到直连链路故障后，会将预备端口转换为根端口。预备端口会在30s后恢复到转发状态。

3、间接链路故障：间接链路故障进入到转发状态需要50s（MAX age + Forwarding delay * 2）。

4、拓扑改变导致MAC地址表错误：MAC地址默认老化时间为300s，这段时间内无法转发数据。

所以，当s1-s2之间的链路断开之后，输入命令h1 ping h3，结果如下，可以发现大概过了50s之后，恢复了通信连接。

以上便是利用ovs进行简单的STP实验，各位还可以利用抓包工具wireshark仔细分析STP协议的内容，这里本实验不再进行，如有指正，请留言或私聊，谢谢。