STP生成树连载：制服网络广播风暴（2）
作者：
卓维乾 转自：IT168
要保证企业的网络中的关键应用可持续性，就需要对交换网络进行冗余设计，然而这将产生广播风暴、“网络环路”等问题，严重时，将导致整个网络瘫痪？于是，STP生成树解决办法出现了……
网络冗余设计与广播风暴的矛盾
广播风暴的克星：设计STP网络生成树
技术剖析：STP生成树初始化与收敛
案例分析：观察生成树收敛过程
实战剖析：STP生成树如何配置？
技术进化：RSTP快速生成树配置
广播风暴的克星：设计STP网络生成树
网络发展过程中，以太网设备由Hub发展到透明网桥到智能交换机。透明网桥比Hub智能，Hub收到数据包后，向除自己外的其他所有端口进行广播，而透 明网桥则记录物理端口上连接设备的MAC，收到数据帧后按照记录的MAC地址向该端口发送数据帧，这样大大减少数据帧冲突。
但是透明网桥由于他的透明性，一旦网络中存在环路，一台透明网桥收到的数据帧，又会在环路中返回，这样数据帧不停在网络中增生，最终形成广播风暴，导致 整个网络瘫痪；一种阻止网络环路的协议――生成树协议（STP），IEEE 802.1D标准，生成树模拟自然界树的生长规律，从树根到树梢不会形成环路，生成树协议通过对比环路网络中的设备属性的优先级、链路的开销、端口优先级 等来判断环路中链路的优先级，从而逻辑上阻断优先级低的网络链路。
生成树从阻断到转发状态需要经过阻断、监听、学习、转发 延迟等阶段，这个阶段大约需要30~50s的时间，对于要求高可靠性的网络来，这是不允许的。快速生成树协议（RSTP）IEEE 802.1W按结构需求产生，RSTP将阻断的端口设置备用端口，一旦检测到主链路中断，备用端口直接进入转发状态，大大加大收敛
生成树的关键概念
解决循环连接的方案就是STP。通过一定算法，STP使任意两个节点间有且只有一条路径连接，而其他的冗余链路则被自动阻塞，作为备份链路，如图8-6所示。只有当活动链路失败时，备份链路才会被激活，从而恢复设备之间的连接，保证网络的畅通。
与EtherChannel技术不同，Spanning-Tree只能保证在两台设备间拥有一条活动链路，因此，也就无法实现带宽加倍和负载均衡。这就 好比一棵真实生长树，从树根开始长起，然后是树干、树枝，最后到树叶，从而保证任意两片树叶间只有一条路。而链路选举的标准就是优先级值 （Priority）和端口费用（Cost）。
提示：Spanning-Tree的优点是可以在任何端口实现，而不一定是固定的双绞线端口或光纤端口。
网络环路侦测和预防（Network loop detection and prevention）的意义在于任何两个局域网之间应该只有一条路径，否则，网络中将出现环路。如果存在着多于一条的路径，那么生成树算法将会侦测到环 路的发生，并自动选择开销值（Cost）最低的那条路径作为可使用的路径（主链路），而阻断其他路径，将它们作为备用路径（备用链路）。
自动拓扑重构（Automatic topology re-configuration）是指当主链路出现故障时，生成树算法将自动启用备用链路，重构网络结构。生成树运算在无环路逻辑拓扑时，使用3个关键 概念：网桥ID（Bridge ID）、路径开销（PC）及桥接协议数据单（BPDU）通知功能。
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2．路径开销（Path Cost）
3．桥接协议数据单元（BPDU）
n DMA：目的MAC地址，固定的组播地址，0X0180C2000000。
n SMA：源MAC地址，发送BPDU配置消息的桥MAC地址。
n L/T：帧长。
n LLC Header：配置消息固定的链接头。
n PayLoad：BPDU数据区。
n
表8-2中的Payload是BPDU的核心配置部分，具体组成信息如表8-3所示。
拓扑改变BPDU（TCN BPDU），顾名思义就是拓扑改变时发出的BPDU，这是由拓扑改变的网桥发出的，与配置网桥区别在于，表8-3中的Type值为1。
要保证企业的网络中的关键应用可持续性，就需要对交换网络进行冗余设计，然而这将产生广播风暴、“网络环路”等问题，严重时，将导致整个网络瘫痪？于是，STP生成树解决办法出现了……
网络冗余设计与广播风暴的矛盾
广播风暴的克星：设计STP网络生成树
技术剖析：STP生成树初始化与收敛
案例分析：观察生成树收敛过程
实战剖析：STP生成树如何配置？
技术进化：RSTP快速生成树配置
广播风暴的克星：设计STP网络生成树
网络发展过程中，以太网设备由Hub发展到透明网桥到智能交换机。透明网桥比Hub智能，Hub收到数据包后，向除自己外的其他所有端口进行广播，而透 明网桥则记录物理端口上连接设备的MAC，收到数据帧后按照记录的MAC地址向该端口发送数据帧，这样大大减少数据帧冲突。
但是透明网桥由于他的透明性，一旦网络中存在环路，一台透明网桥收到的数据帧，又会在环路中返回，这样数据帧不停在网络中增生，最终形成广播风暴，导致 整个网络瘫痪；一种阻止网络环路的协议――生成树协议（STP），IEEE 802.1D标准，生成树模拟自然界树的生长规律，从树根到树梢不会形成环路，生成树协议通过对比环路网络中的设备属性的优先级、链路的开销、端口优先级 等来判断环路中链路的优先级，从而逻辑上阻断优先级低的网络链路。
生成树从阻断到转发状态需要经过阻断、监听、学习、转发 延迟等阶段，这个阶段大约需要30~50s的时间，对于要求高可靠性的网络来，这是不允许的。快速生成树协议（RSTP）IEEE 802.1W按结构需求产生，RSTP将阻断的端口设置备用端口，一旦检测到主链路中断，备用端口直接进入转发状态，大大加大收敛
生成树的关键概念
解决循环连接的方案就是STP。通过一定算法，STP使任意两个节点间有且只有一条路径连接，而其他的冗余链路则被自动阻塞，作为备份链路，如图8-6所示。只有当活动链路失败时，备份链路才会被激活，从而恢复设备之间的连接，保证网络的畅通。
与EtherChannel技术不同，Spanning-Tree只能保证在两台设备间拥有一条活动链路，因此，也就无法实现带宽加倍和负载均衡。这就 好比一棵真实生长树，从树根开始长起，然后是树干、树枝，最后到树叶，从而保证任意两片树叶间只有一条路。而链路选举的标准就是优先级值 （Priority）和端口费用（Cost）。
提示：Spanning-Tree的优点是可以在任何端口实现，而不一定是固定的双绞线端口或光纤端口。
网络环路侦测和预防（Network loop detection and prevention）的意义在于任何两个局域网之间应该只有一条路径，否则，网络中将出现环路。如果存在着多于一条的路径，那么生成树算法将会侦测到环 路的发生，并自动选择开销值（Cost）最低的那条路径作为可使用的路径（主链路），而阻断其他路径，将它们作为备用路径（备用链路）。
自动拓扑重构（Automatic topology re-configuration）是指当主链路出现故障时，生成树算法将自动启用备用链路，重构网络结构。生成树运算在无环路逻辑拓扑时，使用3个关键 概念：网桥ID（Bridge ID）、路径开销（PC）及桥接协议数据单（BPDU）通知功能。
要保证企业的网络中的关键应用可持续性，就需要对交换网络进行冗余设计，然而这将产生广播风暴、“网络环路”等问题，严重时，将导致整个网络瘫痪？于是，STP生成树解决办法出现了…… 1．网桥ID（Bridge ID）
每台网桥都有一个ID表示，Bridge ID称为BID。它是由一个2字节加6字节，总共8字节组成的存储域组成，如图8-7所示。低6字节MAC地址由交换机分配好，高2字节BID为网桥优先级，范围从0~65 535，默认为32 768。
生成树技术与端口阻塞（Block）
网桥ID
2．路径开销（Path Cost）
IEEE 802.1D早期定义采用1 000Mbps来除以实际的带宽获得的数据作为路径开销值，但由于后来实际带宽超过1 000Mbps，得到了小数，不方便计算；后来IEEE 802.1D修正了新值，目前采用新值，如表8-1所示。
生成树路径开销值
|
带
宽
|
开销（IEEE修订后）
|
开销（IEEE修订前）
|
|
10Mbps
|
100
|
100
|
|
100Mbps
|
19
|
10
|
|
1Gbps
|
4
|
1
|
|
10Gbps
|
2
|
1
|
3．桥接协议数据单元（BPDU）
生成树在运算选举中，还通过相互比较桥接协议数据单元（Bridge Protocol Data Units，BPDU）实现。BPDU有两种类型，配置BPDU和拓扑改变通知（TCN BPDU）。
BPDU配置消息是以以太网数据帧的格式进行传递的，采用多播MAC地址01-80-C2-00-00-00为目的MAC地址，网络中的网桥收到该地址 后，能够判断出该数据帧是生成树协议的数据帧，源MAC地址域中的本网桥的MAC地址，数据帧的具体内容如表8-2所示。
BPDU配置消息格式
|
DMA
|
SMA
|
L/T
|
LLC Header
|
Payload
|
n DMA：目的MAC地址，固定的组播地址，0X0180C2000000。
n SMA：源MAC地址，发送BPDU配置消息的桥MAC地址。
n L/T：帧长。
n LLC Header：配置消息固定的链接头。
n PayLoad：BPDU数据区。
n
|
提示：
IEEE 802.1D
指定
17
个多播地址，范围从
0x
00180c
2000000~0x
00180c
2000010
，用于不同网桥版本，如果交换机端口开启STP，交换机CPU接收目标来地址0x0180C2000000~0x0180C2000010，如果STP被关闭，则认为这些多播地址为未知的。
|
表8-2中的Payload是BPDU的核心配置部分，具体组成信息如表8-3所示。
表8-3 BPDU值域
|
值
域
|
字
节
|
分 配 值
|
|
Protocol ID
|
2
|
总为0
|
|
Version
|
1
|
STP为 0 RSTP为2
|
|
Type
|
1
|
0 = 配置 BPDU 1=拓扑改变时发出的BPDU
|
|
Flags
|
1
|
LSB = 拓扑改变标志位，MSB = 拓扑改变确认标志
|
|
Root BID
|
8
|
当前的根桥ID，根桥的优先级加上MAC地址
|
续表
|
值
域
|
字
节
|
分 配 值
|
|
Root Path Cost
|
4
|
计算到根桥的路径开销
|
|
Sender BID
|
8
|
本地网桥ID，也叫指定网桥ID
|
|
Port ID
|
2
|
网桥的端口ID
|
|
Message Age
|
2
|
端口保存BPDU的一个生存期
|
|
Max Age
|
2
|
BPDU 老化时间
|
|
Hello Time
|
2
|
周期发送BPDU的间隔时间
|
|
Forward Delay
|
2
|
网桥从监听到学习状态的时间
|
拓扑改变BPDU（TCN BPDU），顾名思义就是拓扑改变时发出的BPDU，这是由拓扑改变的网桥发出的，与配置网桥区别在于，表8-3中的Type值为1。