在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障,所谓单点失效,指的是由于网络中某一台设备的故障,而影响整个网络的通信。为了避免单点失效,提高网络的可靠性,可以通过构建一个冗余拓扑来解决。但是,一个冗余的拓扑,又会给我们的网络造成环路,而产生其它的影响。为了解决二层环路问题,而设计了SPT协议。
当2个Segment之间,只有一个物理设备连接时,就有可能“单点失效”。
Segment:(段的概念)
1.STP:一段网络介质(网线/光纤)。
2.数据封装:携带4层报头的用户数据。
3.路由:一个逻辑子网。
避免单点失效的方法就是构造冗余网络。
但冗余网络会导致新的问题:
1.多帧复制
2.MAC地址表的翻动
3.广播风暴
STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
STP通过判断网络中存在环路的地方,并阻断冗余链路来实现无环网络。
STP采用STA(Spanning Tree Arithmetic)算法。
STA会在冗余链路中选择一个参考点(生成树的根),将选择到达要的单条路径,同时阻断其他冗余路径。一旦已选路径失效,将启用其他路径。
STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的,BPDU是直接封装在以太网帧中的。
对于参与STP的所有SW,它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息,这种消息就被称为BPDU。
BPDU是直接封装在二层的协议,其MAC地址最后封装数为:00。(01:80:c2:00:00:00)
BPDU的功能:
1.选举根桥
2.确定冗余路径的位置
3.通过阻塞特定端口来避免环路
4.通告网络的拓扑变更
5.监控生成树的状态
BPDU每2S由根桥发送一次。
最初的网络,每个SW都认为自己是根桥,都会发送BPDU,比较Lowest BID,选举出一个根桥,当根桥选出来以后。此时就只有根桥发送BPDU。非根桥只进行转发。
BPDU分两种类型:
1、配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出,包括了STP参数,用于进行各种选举。
2、TCN(topology change notification 拓扑变更通告)BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。
·配置BPDU包含以下的字段
1、Protocol ID : 固定为0
2、Version : 802.1D (0)
3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
4、Flags
5、Root ID
6、Cost of Path
7、Bridge ID
8、Port ID
9、Message age
10、Max age
11、Hellotime
12、Forward delay
TCN(Topology Change Notification) BPDU
这种BPDU是交换机检测到拓扑变更时产生的。只包含下列三个字段
1、Protocol ID
2、Version
3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
<STP的4大工作流程>(STP里选举参数都是越小越优)
One root bridge per network
One root port per nonroot bridge
One designated port per segment
Nondesignated ports are blocked
One root bridge per network(每个网络只有一个根桥)
根桥的选举:Lowest BID (最小的BID)
STP为每台SW分配唯一的一个标识符,称为BID(Bridge ID)。
BID的组成:2(Bridge Priority优先级)+6(MAC)=8 Bytes
默认Priority:32768(0x8000)
2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号,因为CISCO默认启用PVST
每个交换机都有一个基准的MAC地址,用下面的命令可以看到
Sw2#show version
Base ethernet MAC Address: 00:0D:28:61:35:00
交换机的每一个端口都有一个MAC地址,就是以Base(基准) MAC地址加上端口号得到的。
Show interface f0/1 这一命令可以看到交换机端口的MAC地址
PVST(Per Vlan Stp)
Cisco SW 默认为每个VLAN生成一个STP,互不影响。
由于是为不同的VLAN生成不同的生成树。所以每一台交换机需要为不同的VLAN生成一个不同的桥优先级,所以在CISCO交换机上,交换机在每一个VLAN中的优先级是默认的32768再加上VLAN的号码。
One root port per nonroot bridge(每个非根桥都要选出一个根端口),在自己的众多接口中选一个port。在收到BPDU 中选择最小cost的port。
根端口(RP):每个非根桥有且只有一个根端口
选举RP/DP的方法:
1.Lowest RID(最小的RID) 是SW1(根桥)的BID
2.Lowest path cost to root bridge(到达根的最小路径开销)
3.lowest sender BID (最小的发送BID)
4.Lowest sender port ID 当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选
Path Cost:根桥发出的COST值是0,在下一交换机的入口处才加上COST值,出口处COST值不变。
10Mbps:100/ 100Mbps:19/ 1Gbps:4/ 10Gbps:2
One designated port per segment(每个Segment只有一个指定端口)
指定端口是自己port和对方交换机port比。
自己转发的BPDU cost和对方发的cost对比。
选举RP/DP的方法:
1.Lowest RID(最小的RID) 是SW1(根桥)的BID
2.Lowest path cost to root bridge(到达根的最小路径开销)
3.lowest sender BID (最小的发送BID)
4.Lowest sender port ID
根桥的所有端口都是指定端口(DP)。
Nondesignated ports are blocked(非指定端口将被堵塞)
最后,既不是根端口,又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口,这些端口将被block掉。从而达到防环的目的。
<生成树的收敛>
当网络出现故障导致拓朴发生变化时,生成树要进行收敛,在收敛过程中,一个block接口变到forward状态时会经历以下四种状态变化。
生成树端口状态:
1、blocking--阻塞状态,不转发帧,监听流入的BPDU,不学习MAC地址
2、listening--监听状态,不转发帧,不学习MAC地址,能够决定端口角色
3、learning--学习状态,不转发帧,能学习MAC地址
4、forwarding--转发状态,能够进行正常的帧转发
当拓扑发生变化时,端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S
如果是直连接口down掉,端口状态过渡最大需要30S
如果是非直连故障,最大需要50S
<二层MAC地址表的收敛>
注意:在网络拓朴发生改变后,不仅会有STP的收敛,还会导致二层MAC地址表的收敛。
当发生如下事件时,SW会发送TCN:
1.链路故障(FWD -> BLK)
2.端口进入转发状态,并且SW已经拥有DP
3.非根桥从它的DP接收到TCN,并将其转发
MAC地址表的收敛过程如下:
1、拓扑发生改变的交换机向RP端口发出TCN的BPDU
2、上级交换机做两件事:先回应一个TCA置位的BPDU,再继续向自已的RP接口发出TCN的BPDU
3、TCN的BPDU就这样一跳跳的传到根交换机上
4、然后根交换机将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为转发延迟时间(15S)。
5、根交换机再向网络中发出TC置位的BPDU
6、网络中的其他交换机收到TC置位的BPDU后,也将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为15S。
这样,每台交换机就快速的老化了MAC地址表,清除掉了已经失效的MAC地址条目。
<BPDU Timer>
三个计时器:
Message Age:最大存活时间(20S)
Hello Time:根桥连续发送BPDU的间隔(2S)
Forward Time:SW在监听和学习状态所停留的时间(15S)
注意:必须在根桥上修改,否则不起作用。
1.老化时间(blocking)(loss of BPDU detected)max age=20s
2. 监听时间(listening)forward delay=15s
3.学习时间(learning)forward delay=15s
监听BPDU 学习MAC 帧转发
Blocking √ × ×
Listening √ × ×(选举Root/RP/DP)
Learning √ √ ×
Forwarding √ √ √
<STP和802.1Q>
CISCO交换机上,在采用802.1Q的Trunk中,SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
(PVST)
对于不支持802.1Q的SW,所有VLAN维护一个STP。(SSTP)
在交换网络中,STP是始终运行的,如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。
Per VLAN Spanning Tree
优点:1.基于Vlan的负载均衡;
缺点:1.BPDU是基于Vlan 的基础上运行的;
<STP的一些增强特性>
802.1D STP设计初衷:网络中断后能够在1分钟之内(Max=50S)恢复。
伴随着LAN出现3层交换,很多的路由协议(OSPF/EIGRP)都能在几秒之内收敛。
Cisco为加快收敛时间,提出了一些私有的优化特性来加速STP的收敛:
1、PortFast
2、UpLinkFast
3、BackboneFast
PortFast:
能够让2层的接入端口(接host)跳过LIS/LRN状态立即进入FWD。30S->0S 基于接口,用于接非交换机接口,不要设置在接SW的端口。
·UplinkFast:
在接入层SW上配置,用于检测直连到分布层SW的链路故障,并加速STP的收敛速度。 也可以在分布层交换机上配置,用于检测直连到核心层交换机的链路故障 30S->0S
BackboneFast:
BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。用于检测主干SW间的链路故障。(50S -> 30S)
·要求BackboneFast应用在所有SW上。
当交换机检测到次级BPDU后,将使用替代路径发送RLQ BPDU(根链路查询BPDU),RLQ BPDU通过中间交换机向根交换机传播,并且根交换机将最终响应。