生成树协议（stp）

 

 

              生成树协议（ stp）

理解 STP的工作原理

会配置 PVST+实现交换网络负载分担

了解 BPDU（桥协议数据单元）

简介

在实际的网络环境中，物理环路可以提高网络的可靠性，当一条线路断掉的时候，另一条链路仍然可以传输数据。但是，在交换网络中，当交换机接收到一个未知目的地址的数据帧时，交换机的操作是将这个数据帧广播出去，这样，在存在物理的交换网络中，就会产生一个双向的广播环，甚至产生广播风暴，导致交换机死机。

　这就产生一个矛盾，需要物理环路来提高网络可靠性，而环路又可能产生广播风暴，如何才能两全其美呢？

　本章将要讲述的 STP，就是用来解决这个矛盾的。STP协议在逻辑上断开网络的环路，防止广播风暴的产生，而一旦正在用的线路出现故障，逻辑上被断开的线路又被连通，继续传输数据。

　本章重点：

STP的工作原理

配置 PVST+以实现交换网络的负载分担

本章难点：

STP的工作原理

４ .１STP概述

４.１ .１交换网络环路的产生

 

　　　　　　　　　　　　　　　图 4.1物理拓扑

如图４ .１所示，PC1和PC2通过交换机相连。网络初始状态时，PC1与PC2通信过程如下。

（１）      在网络通信最初， PC1的ARP条目中没有PC2的MAC地址，根据ARP原理PC1首先会发送一个ARP广播请求（请求PC2的MAC地址）给交换机SW1.

（２）      当 SW1收到ARP的广播请求时，根据交换机转发原理，SW1交换机会将广播帧从除接收端口之外的所有端口转发出去（即该广播会从F０/1和F０/2分别转发给SW2和SW3）。

（３）      SW2收到广播帧后，同样根据交换机转发原理，将广播帧从 F0/2和连接PC2的端口转发，同样，SW3收到广播帧后，将其从F0/2端口转发。

（４）      SW2从 F0/2端口收到从SW3发送的广播帧后，将其从F0/2和连接PC2的端口转发；同样，SW3收到从SW2发送的广播帧后。将其从F0/1端口转发。

（５）      SW1分别从 SW2、SW3收到广播帧。然后将从SW2收到的广播帧转发给SW3，而将从SW3收到的广播帧发给SW2.

SW1、 SW2和SW3会将广播帧相互转发，这时网络就形成了一个环路。而交换

机之间并不知道，这将导致广播帧在这个环路中永远循环下去（如图４ .２所示）

 

　　　

　　　　　　　　　　　　　　４ .２广播风暴的产生

在实际网络环境中情况要复杂的多，当广播帧经过交换机时，交换机就以指数的形式生成广播帧（交换机从除收到该广播帧之外的所有端口转发广播帧）。这种广播帧会越来越多，最终形成广播风暴，导致网络瘫痪。

        这种广播风暴只有在物理环路消失时才可能停止。

　　　但是环状的物理链路能够的网络提供备份线路，增强网络的可靠性。这在网络设计中是必要的，因此，这就需要一种解决方法，一方面保证网络的可靠性，另一方面还要防止广播风暴的产生。

      STP协议就是用来解决这个问题。 STP协议并不是断掉物理环路，而是在逻辑上断开环路，防止广播风暴的产生。

４ .１.２STP简介

　　　　 STP就是把一个环形的结构改变成一个树形的结构。STP协议就是用来将物理上存在环路的网络，通过一种算法，在逻辑上阻塞一些端口，来生成一个逻辑上树形结构。如图４.３所示，对于三台交换机构成环路的网络，在使用STP协议后，交换机SW2与SW3连接链路的一个端口被协议从逻辑上阻塞，这条线路也就不能再传输数据了，也就是从逻辑上打破了环路。当正常通信的链路发生故障时，被逻辑上阻塞的链路被重新激活，使数据能从这条链路正常传输

 

　　　　　　　　　　图４ .３三台交换机STP功能示意１

 

 

　　　　　　　　　图４ .４三台交换机STP功能示意２

那么 STP协议如何实现将环形结构的拓扑变成树形结构呢？STP协议如何知道哪些接口应该阻止，哪些接口应该用来传输数据呢？它依据的算法是什么样的？下面将详细讲解IEEE802.1d STP的工作原理。

 

４ .２STP工作原理

４ .２.１生成树算法及验证（ STP选举过程）

　　　１ .生成树算法

　　　　　　　生成树协议运行生成树算法（ STA）。生成树算法很复杂，但是其过程可以归纳为以下三个步骤。

（１）      选择根网桥（ ROOT BRIDGE）

（２）      选择根端口（ ROOT PORTS）

（３）      选择指定端口（ DESIGNATED PORTS）

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名词解释： 网桥的交换机的前身，由于 STP是在网桥基础上开发的，因此现在交换机的网络中仍然沿用网桥这一术语。

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　下面以一个例子来讲解这几个步骤的选择过程，它采用如图４ .５所示的网络拓扑。

 

 

 

 

 

 

　　　　　　　　　　　　　图４ .５STP收敛过程示例拓扑图

　　　　　　　要将图所示的网络结构变成一个无环的拓扑，首先， STP要选择根网桥，前面讲过，STP是将一个环形的拓扑变成一个树状的拓扑结构，因此选择根网桥实现上就是为网络选出一个树根，那么选择根网桥的依据是什么呢？

１） 选择根网桥

 

 

 

　　　

　　　选择根网桥的依据是网桥 ID，网桥ID是一个八字节的字段，其组成结构如图4.6所示，前面两个字节的十进制数称为网桥优先级，后六个字节是网桥的MAC地址。　

网桥优先级是用于衡量网桥在生成树算法中优生级的十进制数，取值范围为０ ~65535,默认值是32768.

　　　网桥 ID中的MAC地址是交换机自身的MAC地址，可以使用命令　show version 在交换版本信息中查看交换机自身的MAC地址，显示如下：

　　　　 Base Ethernet MAC address :    00:0D:28:00:B1:00

      按照生成树算法的定义，当比较那个 STP参数的两个取值时，值小的优先级高。因此，在选择根网桥的时候，比较的方法是看哪台交换机的网桥ID的值最小，优先级小的被选择为根网桥，在优先级相同的情况下，MAC地址小的为根网桥。

　　　在如图４ .５所示的拓扑中，SW2的优先级为4096,SW1与SW3的优先级为默认值32768,因此，SW2被选为根网桥，如图４.７所示。

 

　　　　　　　　　　　　　　图４ .７收敛过程选择根网桥

　　　　如果 SW2的优先级也是32768时，三台交换机的优先级相同。比较三台交换机的MAC地址，SW2的MAC地址最小，所以SW2被选为根网桥。

２） 选择根端口

选出了根网桥之后，网络中的每台交换机必须和根网桥建立关联，因此， STP将开始选择根端口的过程。根端口存在每个非根网桥上，需要在每个非根网桥上选择一个根端口。

选择根端口的依据按照顺序依次如下。

到根网桥最低的根路径成本。

直连的网桥 ID最小

端口 ID最小

根路径成本是两个网桥间的路径上所有链路的成本之和，也就是一个网桥到达根网桥的中间所有链路的路径成本之和，如图 4.8所示

 

 

                       图 4.8根路径成本与路径成本

路径成本用来代表一条链路带宽的大小，见表 4-1，一条链路的带宽越大，它的传输数据的成本也就越低。

 

4-1 带宽与路径成本的关系

端口 ID是一个二字节的STP参数，由一个字节的端口优先级和一个字节的端口编号组成，如图4.9所示。

 

端口优先级是一个可配置的 STP参数，在基于IOS的交换机上，端口优先级的十进制取值范围是0~255，默认值是128。

端口编号是 catalyst用于列举各个端口的数字标识符。在基于IOS的交换机上，可以支256个端口。端口编号不是端口号，但是端口号低的端口，端口编号值也较小。

在 STP选择根端口的时候，首先比较交换机端口的根路径成本，根路径成本低的为根端口，当根路径成本相同的时候，比较连接的交换机的网桥ID值，选择网桥ID值小的作为根端口；当网桥ID相同的时候，比较端口ID值，选择较小的作为根端口。

 

 

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注意啦：在比较端口 ID时，比较的是接收到的对端的端口ID值

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在如图 4.10所示的拓扑中，已经选出了根网桥，那么下一步就需要在SW1和SW3上各选择一个根端口，在本例中，所有的链路都是100MB/S的，那么下一步就需要在SW1和SW3上直接与SW2相连的接口的根路径成本是19，而SW1 与SW3之间连接的端口，其根路径成本应该是19+19=38;因此，在SW1与SW3上，直连SW2的端口被选为根端口，如图4.10

 

 

 

              图 4.10 STP收敛过程选择根端口

３） 选择指定端口

         选择完根网桥和每台交换机的根端口后， 一个树形结构已初步形成，但是，所有链路仍连接在一起，并可以都处于活动状态，最后导致形成环路。

       为了消除环路形成的可能， STP进行最后的计算，在每一个网段上选择一个指定端口，选择指定端口的依据有三个。

       根路径成本较低

       所在的交换机的网桥 ID值较小

       端口 ID较小

   在 STP选择指定端口的时候，首先比较同一网段上端口中根路径成本最低的，也就是将到达根网桥最近的端口作为指定端口；当根路径成本相同的时候，比较这个端口所在的交换机的网桥ID值，选择一个网桥ID值小的交换机上的端口作为指定端口；当网桥ID相同的时候，也就是说，有几个位于同一交换机上的端口时，比较端口ID值，选择较小的作为指定端口。

另外，根网桥上的接口都是指定端口，因为根网桥上端口的根路径成本为 0

 如图 4.11所示的拓朴中，首先，作为根网桥的SW2上的端口都是指定端口。那么在SW1 与SW3连接的网段上需要在两个端口之间选出一个指定端口来。

 首先比较两个端口的根路径成本，这两个端口的根路径成本的值都是 38 （19+19），那么只能比较网桥的ID 了，现在SW1与SW3的网桥优先级相同，SW3的MAC地址小于SW1的MAC地址，因此，SW3的网桥ID小，所以SW3上的端口选作指定端口（如图4.11所示）。

   STP的计算过程结束，这时，只有在 SW1上连接到SW3的端口既不是根端口，也不是指定端口，那么这个端口被阻塞（BLOCK）。被阻塞的端口不能传输数据。

 

      由于 SW1上连接SW3的接口被阻塞，所以图4.11所示的拓朴可以等价为图4.12 SW1和SW3之间的链路成为备份链路。

 

2．生成树算法验证

在了解了生成树协议的选举过程后，下在分别以两台和三台交换机为例，验证生成树选举算法。

两台交换机的生成树协议选举过程

   通过两条速率不等的链路连接的两台交换机的 STP选举过程。

 按照图 4.13所示连接网络（如果没有ethernet端口，可以将fastethernet端口速率改为10Mb/s）,其中的交换机设备都有为默认配置，SW1的MAC为001f.caff.1000,SW2的MAC为0021.1ba5.6980.

 

图 4.13两台交换机通过两台链路连接，且两条链路速率不等

按照 STP的工作原理来选择根网桥、根端口和指定端口。

      首先，根据网桥 ID选择根网桥。由于交换机为默认配置，所以优先级相同，都为32768，在这种情况下选择，MAC地址最小的交换机为根网桥，所以SW1成为根网桥。

然后，根据根路径成本在非根网桥上选择根端口，链路为 10M的COST为100，而100M的   COST为19，所以SW2的F0/24端口为根端口。

最后，在每个网络上选择指定端口，由于根网桥交换机的端口都为指定端。所以 SW1的F0/23的F0/24成为指定端口，SW2的F0/23端口阻塞。

在交换机上可以使用命令 show spanning-tree查看生成树。   

三台交换机的生成树协议选举过程

   按照图 4.15所示连接网络，链均为100M链路，其中的交换机设备都为默认配置，

SW1的 MAC为001fcaff.1000,SW2的MAC为0021.1ba5.6980,SW3的MAC为0021.d780.7400.

 

首先，根网桥 ID选择根网桥。由于交换机为默认配置，所以优先级相同，都为32768，MAC地址最小的交换机为根网桥，所以SW1成为根网桥。

然后，根据根路径成本在非根网桥上选择根端口，交换机 SW2和SW3直接与SW1相连的接口根路径成本最低，所以SW2的F0/24端口为根端口，SW3的F0/23为根端口。

最后，在每个网络上选择指定端口，由于根网桥交换机的端口都为指定端。在 SW2和SW3相连的网络上包含两面三刀个端口，这两个端口的根路径成本都是38，因此根据网桥ID选择指定端口，所以SW2的F0/23成为指定端口，SW3的F0/24端口阻塞。

在交换机上可以使用命令 show spanning-tree查看生成树。

4.2.2 BPDU（ bridge protocol data unit ,桥协议数据单元）

   交换机之间根据网桥 ID选择根网桥，根据根路径成本等选择根端口，那么交换机如何获知网络中其他交换机的网桥ID呢？，根路径成要又是怎样计算出来的？

生成树协议（STP）在交换机互相通信时进行操作，数据报文以桥协议数据单元（BPDU）的形式进行交换。
    每隔2秒，BPDU报文便向所有的交换机端口发送一次，以便交换机（或网桥）能交换当前最新的拓扑信息，并迅速识别和检测其中的环路。

 

 BPDU的两种类型

正常情况下，交换机只会从它的 Root Port上接收configuration BPDU包，但是绝不会主动发送configuration BPDU包给root bridge。

 

这里就需要提到第二种类型的 BPDU包了，也就是Topology Change Notification(TCN) BPDU。

 

这样 ,当一台交换机检测到拓扑变化后,它就可以发送TCN给root bridge,注意TCN是通过root port向root bridge方向发出的.

当交换机从它的 designate port接收到TCN类BPDU时,它必须为其做转发,从它自已的root port上发送出去TCN类型的BPDU包,这样一级一级地传到root bridge后,TCN的任务才算完成.

BPDU报文字段

ü         根网桥ID：根信息是由一个2字节优先级和一个6字节ID所组成。这个信息组合标明已经被选定为根网桥的设备标识。
ü         根路径成本：路径成本说明了这个BPDU从根网桥传输了多远，成本是多少。这个字段的值用来决定哪些端口将进行转发，哪些端口将被阻断。
ü         发送网络桥ID：这是发送该BPDU的网桥信息。由网桥的优先级和网桥ID组成。
ü         计时器：计时器用于说明生成树用多长时间完成它的每项功能。这些功能包括报文老化时间、最大老化时间、访问时间和转发延迟。

STP利用 BPDU选择根网桥的过程：
    1、当一台交换机第一次启动时，假定自己是根网桥，在BPDU报文中的根网桥字段填入自己的网桥ID，向外发送。

 

 

 

                  交换机假定自己是根网桥并发送 BPDU

    2、交换机比较接收到的 BPDU报文中根网桥ID与自己的网桥ID的值哪个更小，如果接收到的BPDU中的根网桥ID值小于自己的网桥ID，则用接收到的根网桥ID替换现有的根网桥ID,并向外转发。如此不断反复，最终能够选择出全网公认的唯一一个根网桥。

 

 

 

                       交换机用更小的根网桥 ID替换原有的根网桥

    3、收敛以后，如果又一台新的交换机加入进来，则继续比较更网桥 ID，选出新的根网桥。
   
    STP利用BPDU确定端口的跟路径成本：

    1、根网桥发送一个根路径成本为 0的BPDU报文。

 

    2、当离根网桥最近的下一级交换机收到 BPDU报文时，就把BPDU所到达的那个端口的路径成本值与根网桥的根路径成本值相加。

 

    3、邻接交换机再以这个新的累加值作为根路径成本，然后发送出包含此值的 BPDU报文。

    4、当邻接交换机下的每一台交换机都收到这个 BPDU报文时，再把随后的交换机端口路径成本与这个值相加，依次类推。

 

   生成树端口的状态：
    禁用（Disabled）：强制关闭（实际并不属于端口正常的STP状态的一部分）
    阻塞（Blocking）：只接收BPDU，以便能侦听到其他邻接交换机的信息。老化时间20s。
    侦听（Listening）：构建“活动”拓扑，为了使该端口加入生成树的拓扑过程，允许接收或发送BPDU报文，延迟时间15s。
    学习（Learning）：构建网桥表（转发BPDU报文的同时，学习新的MAC地址，并添加到交换机的地址列表中），延迟时间15s。
    转发（Forwarding）：发送/接收用户数据（可以发送和接收数据帧，也可以收集MAC地址加入到它的地址表，还可以发送BPDU报文）

    IEEEE的通用生成树（CST）：不考虑VLAN，以交换机为单位运行STP。
    Cisco的每VLAN生成树（PVST）：为每个VLAN使用独立的一个生成树实例。
    Cisco的兼容CST的PVST（PVST+）：允许CST信息传给PVST，以便与其他厂商在VLAN上运行生成树的实现方法进行互操作。

    PVST的配置
    SwA(config)#spanning-tree vlan 1 root primary
      配置VLAN 1的根网桥为SwA，并设置优先级为24576，如果配置为secondary，则优先级变成28672
    SwB(config)#spanning-tree vlan 2 priority 8192
      配置VLAN 2的根网桥为SwB，并设置优先级为8192
    以上两条命令不能保证根网桥就是它们自身（SwA或者SwB），主要查看它们的网桥ID。

    SwA(config-if)#spanning-tree vlan 1 cost 19
      修改端口的路径成本为19，即百兆带宽
    SwB(config-if)#spanning-tree vlan 2 port-priority 100
      修改端口的优先级为100

    SwC(config)#interface range f0/1 - 20
    SwC(config-if-range)#spanning-tree portfast
      将SwC的1到20端口配置为速端口
    SwC(config)#spanning-tree uplinkfast
      将SwC配置成上行速链路

    SwA#show spanning-tree vlan 1
      查看VLAN 1的生成树信息

    EthernetChannel（以太网通道）
    Switch(config)#interface range f0/1 - 2
    Switch(config)#channel-group 1 mode on
    Switch(config)#no channel-group
      配置和撤销Switch的1和2端口为通道1
    Switch#show etherchannel summary
      查看Switch的通道信息

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