技術(shù)分享 交換機(jī)知識(shí)之生成樹(shù)協(xié)議

STP(Spanning Tree Protocol，生成樹(shù)協(xié)議)是根據(jù)IEEE 802.1D 標(biāo)準(zhǔn)建立的，用于在局域網(wǎng)中消除數(shù)據(jù)鏈路層物理環(huán)路的協(xié)議。運(yùn)行該協(xié)議的設(shè)備通過(guò)彼此交互信息發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，并有選擇的對(duì)某些端口進(jìn)行阻塞，最終將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修剪成無(wú)環(huán)路的樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而防止報(bào)文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中不斷增生和無(wú)限循環(huán)，避免設(shè)備由于重復(fù)接收相同的報(bào)文所造成的報(bào)文處理能力下降的問(wèn)題發(fā)生。

STP采用的協(xié)議報(bào)文是BPDU(Bridge Protocol Data Unit，橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元)，也稱為配置消息，BPDU中包含了足夠的信息來(lái)保證設(shè)備完成生成樹(shù)的計(jì)算過(guò)程。STP即是通過(guò)在設(shè)備之間傳遞BPDU來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

BPDU格式及字段說(shuō)明

要實(shí)現(xiàn)生成樹(shù)的功能，交換機(jī)之間傳遞BPDU報(bào)文實(shí)現(xiàn)信息交互，所有支持STP協(xié)議的交換機(jī)都會(huì)接收并處理收到的報(bào)文。該報(bào)文在數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹(shù)計(jì)算的所有有用信息。

標(biāo)準(zhǔn)生成樹(shù)的BPDU幀格式及字段說(shuō)明：

Protocol identifier： 協(xié)議標(biāo)識(shí)

Version： 協(xié)議版本

Message type： BPDU類型

Flag： 標(biāo)志位

Root ID： 根橋ID，由兩字節(jié)的優(yōu)先級(jí)和6字節(jié)MAC地址構(gòu)成

Root path cost： 根路徑開(kāi)銷

Bridge ID： 橋ID，表示發(fā)送BPDU的橋的ID，由2字節(jié)優(yōu)先級(jí)和6字節(jié)MAC地址構(gòu)成

Port ID： 端口ID，標(biāo)識(shí)發(fā)出BPDU的端口

Message age： BPDU生存時(shí)間

Maximum age： 當(dāng)前BPDU的老化時(shí)間，即端口保存BPDU的最長(zhǎng)時(shí)間

Hello time： 根橋發(fā)送BPDU的周期

Forward delay： 表示在拓?fù)涓淖兒�，交換機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)包前維持在監(jiān)聽(tīng)和學(xué)習(xí)狀態(tài)的時(shí)間

STP的基本概念

橋ID(Bridge Identifier)：橋ID是橋的優(yōu)先級(jí)和其MAC地址的綜合數(shù)值，其中橋優(yōu)先級(jí)是一個(gè)可以設(shè)定的參數(shù)。橋ID越低，則橋的優(yōu)先級(jí)越高，這樣可以增加其成為根橋的可能性。

根橋(Root Bridge)：具有最小橋ID的交換機(jī)是根橋。請(qǐng)將環(huán)路中所有交換機(jī)當(dāng)中最好的一臺(tái)設(shè)置為根橋交換機(jī)，以保證能夠提供最好的網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性。

指定橋(Designated Bridge)：在每個(gè)網(wǎng)段中，到根橋的路徑開(kāi)銷最低的橋?qū)⒊蔀橹付�，�?shù)據(jù)包將通過(guò)它轉(zhuǎn)發(fā)到該網(wǎng)段。當(dāng)所有的交換機(jī)具有相同的根路徑開(kāi)銷時(shí)，具有最低的橋ID的交換機(jī)會(huì)被選為指定橋。

根路徑開(kāi)銷(Root Path Cost)：一臺(tái)交換機(jī)的根路徑開(kāi)銷是根端口的路徑開(kāi)銷與數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的所有交換機(jī)的根路徑開(kāi)銷之和。根橋的根路徑開(kāi)銷是零。

橋優(yōu)先級(jí)(Bridge Priority)：是一個(gè)用戶可以設(shè)定的參數(shù)，數(shù)值范圍從0到32768。設(shè)定的值越小，優(yōu)先級(jí)越高。交換機(jī)的橋優(yōu)先級(jí)越高，才越有可能成為根橋。

根端口(Root Port)：非根橋的交換機(jī)上離根橋最近的端口，負(fù)責(zé)與根橋進(jìn)行通信，這個(gè)端口到根橋的路徑開(kāi)銷最低。當(dāng)多個(gè)端口具有相同的到根橋的路徑開(kāi)銷時(shí)，具有最高端口優(yōu)先級(jí)的端口會(huì)成為根端口。

指定端口(Designated Port)：指定橋上向本交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的端口。

端口優(yōu)先級(jí)(Port Priority)：數(shù)值范圍從0到255，值越小，端口的優(yōu)先級(jí)就越高。端口的優(yōu)先級(jí)越高，才越有可能成為根端口。

路徑開(kāi)銷(Path Cost)：STP協(xié)議用于選擇鏈路的參考值。STP協(xié)議通過(guò)計(jì)算路徑開(kāi)銷，選擇較為“強(qiáng)壯”的鏈路，阻塞多余的鏈路，將網(wǎng)絡(luò)修剪成無(wú)環(huán)路的樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

生成樹(shù)基本概念的組網(wǎng)示意圖如圖所示。交換機(jī)A、B、C三者順次相連，經(jīng)STP計(jì)算過(guò)后，交換機(jī)A被選為根橋，端口2和端口6之間的線路被阻塞。

橋：交換機(jī)A為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的根橋;交換機(jī)B是交換機(jī)C的指定橋。

端口：端口3和端口5分別為交換機(jī)B和交換機(jī)C的根端口;端口1和端口4分別為交換機(jī)A和交換機(jī)B的指定端口;端口6為交換機(jī)C的阻塞端口。

STP定時(shí)器

聯(lián)絡(luò)時(shí)間(Hello Time)：

數(shù)值范圍從1秒到10秒。是指根橋向其它所有交換機(jī)發(fā)出BPDU數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔，用于交換機(jī)檢測(cè)鏈路是否存在故障。

老化時(shí)間(Max. Age)：

數(shù)值范圍從6秒到40秒。如果在超出老化時(shí)間之后，還沒(méi)有收到根橋發(fā)出的BPDU數(shù)據(jù)包，那么交換機(jī)將向其它所有的交換機(jī)發(fā)出BPDU數(shù)據(jù)包，重新計(jì)算生成樹(shù)。

傳輸時(shí)延(Forward Delay)：

數(shù)值范圍從4秒到30秒。是指交換機(jī)的端口狀態(tài)遷移所用的時(shí)間。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障引發(fā)生成樹(shù)重新計(jì)算時(shí)，生成樹(shù)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生相應(yīng)的變化。但是重新計(jì)算得到的新配置消息無(wú)法立刻傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果端口狀態(tài)立刻遷移的話，可能會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)性的環(huán)路。為此，生成樹(shù)協(xié)議采用了一種狀態(tài)遷移的機(jī)制，新的根端口和指定端口開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前要經(jīng)過(guò)2倍的傳輸時(shí)延，這個(gè)延時(shí)保證了新的配置消息已經(jīng)傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

STP模式的BPDU的優(yōu)先級(jí)比較原則

假定有兩條BPDU X和Y，則：

如果X的根橋ID小于Y的根橋 ID，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的根橋ID相同，但X的根路徑開(kāi)銷小于Y，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的根橋ID和根路徑開(kāi)銷相同，但X的橋ID小于Y，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的根橋ID、根路徑開(kāi)銷和橋ID相同，但X的端口ID小于Y，則X優(yōu)于Y

STP的計(jì)算過(guò)程

初始狀態(tài)：每臺(tái)交換機(jī)在初始時(shí)會(huì)生成以自己為根橋的BPDU，根路徑開(kāi)銷為0，指定橋ID為自身設(shè)備ID，指定端口為本端口。

最優(yōu)BPDU的選擇：每臺(tái)交換機(jī)都向外發(fā)送自己的BPDU，同時(shí)也會(huì)收到其它交換機(jī)發(fā)送的BPDU。比較過(guò)程如下表所述：

根橋的選擇：通過(guò)交換配置消息，設(shè)備之間比較根橋ID，網(wǎng)絡(luò)中根橋ID 最小的設(shè)備被選為根橋。

根端口、指定端口的選擇過(guò)程如下表所述：

RSTP

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成樹(shù)協(xié)議)是優(yōu)化版的STP，他大大縮短了端口進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的延時(shí)，從而縮短了網(wǎng)絡(luò)最終達(dá)到拓?fù)浞�(wěn)定所需要的時(shí)間。RSTP的端口狀態(tài)實(shí)現(xiàn)快速遷移的前提如下：

根端口的端口狀態(tài)快速遷移的條件是：本設(shè)備上舊的根端口已經(jīng)停止轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而且上游指定端口已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

指定端口的端口狀態(tài)快速遷移的條件是：指定端口是邊緣端口或者指定端口與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路相連。如果指定端口是邊緣端口，則指定端口可以直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài);如果指定端口連接著點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，則設(shè)備可以通過(guò)與下游設(shè)備握手，得到響應(yīng)后即刻進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

RSTP的基本概念

邊緣端口(Edge Port)：直接與終端相連而不是與其它交換機(jī)相連的端口。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路：是兩臺(tái)交換機(jī)之間直接連接的鏈路。

MSTP

MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol，多生成樹(shù)協(xié)議)是在STP和RSTP的基礎(chǔ)上，根據(jù)IEEE協(xié)會(huì)制定的802.1S標(biāo)準(zhǔn)建立的，他既可以快速收斂，也能使不同VLAN的流量沿各自的路徑轉(zhuǎn)發(fā)，從而為冗余鏈路提供了更好的負(fù)載分擔(dān)機(jī)制。

MSTP的特點(diǎn)如下：

MSTP通過(guò)VLAN-實(shí)例映射表，把VLAN和生成樹(shù)聯(lián)系起來(lái)，將多個(gè)VLAN捆綁到一個(gè)實(shí)例中，并以實(shí)例為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

MSTP把一個(gè)生成樹(shù)網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)域，每個(gè)域內(nèi)形成多棵內(nèi)部生成樹(shù)，各個(gè)生成樹(shù)之間彼此獨(dú)立。

MSTP在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)VLAN 數(shù)據(jù)的負(fù)載分擔(dān)。

MSTP 兼容STP 和RSTP。

MSTP的基本概念

MST域(Multiple Spanning Tree Region，多生成樹(shù)域)：由具有相同域配置和相同Vlan-實(shí)例映射關(guān)系的交換機(jī)所構(gòu)成。

IST(Internal Spanning Tree，內(nèi)部生成樹(shù))：MST域內(nèi)的一棵生成樹(shù)。

CST(Common Spanning Tree，公共生成樹(shù))：連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有MST域的單生成樹(shù)。

CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和內(nèi)部生成樹(shù))：連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備的單生成樹(shù)，由IST和CST共同構(gòu)成。

MSTP基本概念的組網(wǎng)圖如圖所示。

MSTP的基本原理

MSTP將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)MST域，各個(gè)域之間通過(guò)計(jì)算生成CST;域內(nèi)則通過(guò)計(jì)算生成多棵生成樹(shù)，每棵生成樹(shù)都被稱為是一個(gè)多生成樹(shù)實(shí)例。MSTP同STP一樣，使用BPDU進(jìn)行生成樹(shù)的計(jì)算，只是BPDU中攜帶的是MSTP的配置信息。

MSTP模式的BPDU優(yōu)先級(jí)比較原則

假定有兩條MSTP的BPDU X和Y，則：

如果X的總根ID小于Y的總根ID，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的總根ID相同，但X的外部路徑開(kāi)銷小于Y，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的總根ID和外部路徑開(kāi)銷相同，但X的域根ID小于Y的域根ID，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的總根ID、外部路徑開(kāi)銷和域根ID相同，但X的內(nèi)部路徑開(kāi)銷小于Y，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的總根ID、外部路徑開(kāi)銷、域根ID和內(nèi)部路徑開(kāi)銷相同，但X的橋ID小于Y，則X優(yōu)于Y

如果X和Y的總根ID、外部路徑開(kāi)銷、域根ID、內(nèi)部路徑開(kāi)銷和橋ID均相同，但X的端口ID小于Y，則X優(yōu)于Y

端口狀態(tài)

MSTP中，根據(jù)端口是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和如何處理BPDU報(bào)文，可將端口狀態(tài)劃分為以下四種：

轉(zhuǎn)發(fā)：接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，接收并發(fā)送BPDU報(bào)文，進(jìn)行地址學(xué)習(xí)。

學(xué)習(xí)：不接收或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，接收并發(fā)送BPDU報(bào)文，進(jìn)行地址學(xué)習(xí)。

阻塞：不接收或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，接收但不發(fā)送BPDU報(bào)文，不進(jìn)行地址學(xué)習(xí)。

斷開(kāi)：物理鏈路斷開(kāi)。

端口角色

MSTP的端口角色分為以下幾種：

根端口：到根橋的路徑開(kāi)銷最低，負(fù)責(zé)向根橋方向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的端口。

指定端口：負(fù)責(zé)向下游網(wǎng)段或設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的端口。

Master端口：連接MST域到總根的端口，位于整個(gè)域到總根的最短路徑上。

替換端口：根端口和Master端口的備份端口。

備份端口：指定端口的備份端口。

禁用端口：物理鏈路斷開(kāi)的端口。

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