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RSTP协议
STP 协议
MSTP
产生原因: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。
本例中,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。
产生原因: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。
此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。
PC2向PC1发送一个单播帧Y,假设S2的MAC地址表中不存在关于PC1的MAC地址表项,所以S2会对Y帧进行泛洪。假设S1的MAC地址表项中存在“PC1的MAC地址<——>port 3
” ,S3的MAC地址表项中存在“PC1的MAC地址<——>port 1
” ,显然,S1,S3都会对Y帧进行点对点转发操作。最后的结果是PC1 会收到两份Y帧的拷贝。
STP通过阻塞端口来消除环路,并能够实现链路备份的目的。
消除环路:通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
链路备份:当活动路径发生故障时,激活备份链路,及时恢复网络连通性。
桥和交换机这两个术语是互用的。
一个桥有多个转发端口,一个端口有一个MAC地址。通常把编号最小的那个端口MAC地址作为桥的MAC地址。
一个桥的桥ID由两部分组成,2字节的桥优先级和6字节的桥MAC地址。
桥优先级可以人为指定,缺省值为0x8000(相当于32768)。
端口ID有两种定义方式,不同厂家采用的 PID 定义方式不同,同样端口优先级也是可以人为指定的,缺省情况下,端口优先级是128。。
STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。
每个网段有且只能有一个指定端口
。一般情况下,根桥的每个端口总是指定端口。根桥上没有根端口
。预备端口将被阻塞
。STP树生成过程:
选取原则:桥优先级是可以配置的,取值范围是0~65535,默认值为32768。优先级最高的设备(数值越小越优先)
会被选举为根桥。如果优先级相同,则会比较MAC地址,MAC地址越小则越优先
。
交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。**默认情况下,所有交换机启动时都认为自己是根桥,自己的所有端口都为指定端口,这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。**对端交换机收到BPDU报文后,会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低,接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高,则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段,宣告新的根桥。
根桥确定后,其他没有称为根桥的交换机都被称为非根桥。
非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID(Bridge ID)、对端PID(Port ID)和本端PID。
每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口,这个最近的衡量标准是靠路径开销来判定的,即路径开销最小的端口就是根端口。
根端口是根桥与非根桥之间进行报文交互的端口。一台非根桥设备上只有一个根端口。
根路径开销: 交换机的某个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(Root Path Cost,RPC)
思科路径开销:
Link Speed | Cost (New IEEE Specification) | Cost (Old IEEE Specification) |
---|---|---|
10 Gb/s | 2 | 1 |
1 Gb/s | 4 | 1 |
100 Mb/s | 19 | 10 |
10 Mb/s | 100 | 100 |
华为路径开销:
端口速率 | 路径开销(IEEE 802.1t标准) |
---|---|
10 Mbit/s | 2 000 000 |
100 Mbit/s | 200 000 |
1 Gbit/s | 20 000 |
10 Gbit/s | 2 000 |
- 选择最低的BID;
- 选择最低的路径开销(一定是到跟桥的路径);
- 选择最低发送者的BID;
- 选择最低端口优先级;
- 选择最低端口的ID;、
累计路径开销
相同,那么选择收到发送者BID最小的那个端口
作为根端口。发送者PID最小的那个端口
作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上,则选择本交换机的这些端口中的PID最小
的作为根端口。每个网段都应该有一个指定端口,根桥的所有端口都是指定端口(除非根桥在物理上存在环路)。
- 最低的根桥ID
- 最低的根路径代价
- 最低发送者桥ID
- 最低端口ID
- 根路径开销
- 端口所在交换机桥ID(BID)
- 端口ID(PID)
指定端口的选举也是首先比较累计路径开销,累计路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计路径开销相同,则比较端口所在交换机的桥ID,所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计路径开销和所在桥ID选举不出来,则比较端口ID,端口ID最小的被选举为指定端口。
未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口,将会被阻塞。
网络收敛后,只有指定端口和根端口可以转发数据
。其他端口为预备端口,被阻塞,不能转发由终端计算机产生并发送的数据帧,但是可以接受并处理STP协议帧。只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文,并以此来监视链路的状态。
STP通过交换STP协议帧来建立和维护STP树,在网络拓扑发生变化的时候重建新的STP树。
STP协议帧是组播帧,组播地址为01-80-c2-00-00-00
STP协议帧有采用IEEE802.3封装,有两种格式:Configuration BPDU和TCN BPDU
初始STP树的过程中,各STP交换机都会周期性(2s)主动发送Configuration BPDU。
在STP 稳定后只有根桥周期性发送Configuration BPDU;非根桥会在根端口收
到根桥发来的Configuration BPDU,并触发产生自己的Configuration BPDU,且从指定端口发
出。(根端口接收,指定端口发出)
BPDU携带的参数可以分为三类:
字段 | 字节数 | 说明 |
---|---|---|
protocol identifier | 2 | 总是 0x0000 |
protocol version identifier | 1 | 总是 0x00 |
BPDU type | 1 | 0x00:Configuration BPDU 0x80:TCN BPDU |
Flags | 1 | 网络拓扑变化标志:仅使用了最高(TCA)最低(TC) |
根桥ID | 8 | 由根桥的优先级和MAC地址组成,每个STP网络中有且仅有一个根桥 |
根路径开销 | 4 | 到根桥的最短路径开销 |
指定桥ID | 8 | 由指定桥的优先级和MAC地址组成 |
指定端口ID | 2 | 由指定端口的优先级和端口号组成 |
Message Age | 2 | 配置BPDU在网络中传播的生存期(每经过一个桥,-1) |
Max Age | 2 | 配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期(缺省20s) |
Hello Time | 2 | 配置BPDU发送的周期(2s) |
Forward Delay | 2 | 端口状态迁移的延时(缺省15s)。控制端口Listening和Learning状态持续时间,缺省15s |
当网络拓扑稳定后,该值只有在根桥上修改才有效
。每经过一个交换机,Message Age增加1
。新选出来的根端口和指定端口需要经过两倍的forward delay时间延时后才可以进入用户数据帧的转发状态
,保证此时工作拓扑已无环路。TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。
TCN BPDU 只有三个字段:协议标识,协议版本号和类型。
TCN BPDU工作流程:
如果网络中某条链路发生故障,导致拓扑发上变化,位于故障点的交换机可以感知到变化,但是其他交换机无法感知。
根端口
不断向上游交换机发送TCN BPDU,直到从上游交换机收到TCA 标志置1的configuration BPDU;
STP定义了五种端口状态:去能状态、阻塞状态、侦听状态、学习状态和转发状态。
端口状态 | 说明 |
---|---|
去能(Disabled) | 无法接受发送任何帧,端口处于关闭状态(Down) |
阻塞(Blocking) | 可以接受并分析STP协议帧,但是不能发送STP协议帧,也不能转发用户数据帧 |
侦听(Listening) | 可以接受并发送STP协议帧,但是不能学习MAC地址,也不能转发用户数据帧 |
学习(Learning) | 可以接受并发送STP协议帧,可以学习MAC地址,也不能转发用户数据帧 |
转发(Forwarding) | 可以接受并发送STP协议帧,可以学习MAC地址,同时也能转发用户数据帧 |
STP在启动的时候,端口状态由Disabled转为Blocking
,此时端口指定接收分析BPDU,不能发送;
如果Blocking状态端口被选为根端口或者指定端口,会进入Listening
状态,此时端口接收并发送BPDU,这种状态会持续一个Forward Delay时间(缺省15s)
;
没有意外情况回到Blocking,端口会进入Learning
状态,并持续一个Forward Delay时间(缺省15s)
,此时端口可以收发BPDU,同时构建MAC地址表,为转发用户数据帧做准备;
没有意外,端口进入Forwarding
状态,开始用户数据帧转发工作;
状态迁移过程中,一旦端口被关闭或者出现链路故障,进入去能状态;
状态迁移过程中,一旦端口不再是根端口或者指定端口,进入阻塞状态;
- 假设交换机S1,S2,S3同一时间启动。各个交换机从Disabled进入Blocking状态。由于处于Blocking状态只能接受分析BPDU,不能发送,所以任何端口都收不到BPDU。
等待MAX Age(缺省20s)
时间后,每台交换机都会认为自己是根桥,每个端口都是指定端口,端口状态迁移为Listening;- 交换机进入learning状态后就会开始发送自己的Configuration BPDU,同时也会受到其他交换机发送的Configuration BPDU。
- 假设S2先发送Configuration BPDU,S3从自己的G 0/0/2端口收到后,发现S2 的BID逼自己的小,于是认为S2是根桥,将G0/0/2设置为根端口,然后将自己重新产生的根桥设置为S2的Configuration BPDU从G0/0/1端口发给S1;
- S1收到S3发来的BPDU后,发现自己的BID是最小的,认为自己就是根桥。于是向S3发送Configuration BPDU,同样的也会在G0/0/2 端口受到S2 的Configuration BPDU,也会从G0/0/2端口发送自己的BPDU给S2;
- 端口在listening状态下持续15s,进入learning。此时S3的G0/0/2接口已经被阻塞。
- 各个端口相继进入Learning,持续Forward time(15s)后进入。在这段时间内构建MAC地址转发表,为用户数据帧转发做准备;
- 各端口进入Forwarding状态,开始转发用户数据帧。
Max Age定时器就会超时(Max Age的默认值为20秒)
,从而导致已经收到的BPDU报文失效,此时,非根交换机会互相发送配置BPDU报文,重新选举新的根桥。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。(max age + 2*Forwarding relay)此例中,SWA和SWB使用了两条链路互连,其中一条是主用链路,另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后,如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障,则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态,经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态。
非直连链路故障后,由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间,端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。
本例中,SWB与SWA之间的链路发生了某种故障(非物理层故障),SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。
- 等待
Max Age定时器超时后
,SWB会认为根桥SWA不再有效,并认为自己是根桥,于是开始发送自己的BPDU报文给SWC,通知SWC自己作为新的根桥。- 在此期间,由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其
Max Age定时器超时
后,SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。- 所以,Max Age定时器超时后,SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后,SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。
- 非直连链路故障后,SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒。
在交换网络中,交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下,MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化,交换机转发数据的路径也会随着发生改变,此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误,因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。
本例中,SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机A,通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障,导致生成树拓扑重新收敛,在生成树拓扑完成收敛之后,从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒,主机A发往主机B的帧到达SWB后,SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。
拓扑变化过程中,根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下:
STP生成树收敛需要依赖定时器计时,端口状态从Blocking到Forwarding至少需要两个forward relay的时间长度,收敛时间太长,一般都需要几十秒。IEEE 802.1w定义了RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)弥补了STP收敛时间慢的缺陷。
角色 | 描述 |
---|---|
Backup | Backup端口作为指定端口的备份,提供了另外一条从根桥到非根桥的备份链路。 |
Alternate | Alternate端口作为根端口的备份端口,提供了从指定桥到根桥的另一条备份路径。 |
RSTP中定义了三种端口状态:Discarding、Learning、Forwarding。
RSTP 端口状态 | 对应STP端口状态 | 说明 |
---|---|---|
Forwarding | Forwarding | 可以转发用户数据帧,可以学习MAC地址 |
Learning | Learning | 不可以转发用户数据帧,但是可以学习MAC地址 |
Discarding | Listening、Blocking、Disabled | 不可以转发用户数据帧,不可以学习MAC地址 |
在RSTP中,一个端口被指定成为指定端口后,此端口会先进入discarding,然后通过**P/A(Proposal/Agreement)**机制主动与对端端口协商,通过协商后,就可以立即进入Forwarding状态。
RSTP BPDU:RSTP对此进行了改进,即在拓扑稳定后,无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文,非根桥设备都会仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU,该行为完全由每台设备自主进行。
处于Discarding状态
。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口,则端口状态保持不变
。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口,则端口状态保持不变
。