技術(shù)分享 交換機(jī)知識之生成樹協(xié)議

STP(Spanning Tree Protocol，生成樹協(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。運行該協(xié)議的設(shè)備通過彼此交互信息發(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)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而防止報文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中不斷增生和無限循環(huán)，避免設(shè)備由于重復(fù)接收相同的報文所造成的報文處理能力下降的問題發(fā)生。

STP采用的協(xié)議報文是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保證設(shè)備完成生成樹的計算過程。STP即是通過在設(shè)備之間傳遞BPDU來確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

BPDU格式及字段說明

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

標(biāo)準(zhǔn)生成樹的BPDU幀格式及字段說明：

Protocol identifier： 協(xié)議標(biāo)識

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)先級和6字節(jié)MAC地址構(gòu)成

Root path cost： 根路徑開銷

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

Port ID： 端口ID，標(biāo)識發(fā)出BPDU的端口

Message age： BPDU生存時間

Maximum age： 當(dāng)前BPDU的老化時間，即端口保存BPDU的最長時間

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)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)的時間

STP的基本概念

橋ID(Bridge Identifier)：橋ID是橋的優(yōu)先級和其MAC地址的綜合數(shù)值，其中橋優(yōu)先級是一個可以設(shè)定的參數(shù)。橋ID越低，則橋的優(yōu)先級越高，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。請將環(huán)路中所有交換機(jī)當(dāng)中最好的一臺設(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)：在每個網(wǎng)段中，到根橋的路徑開銷最低的橋?qū)⒊蔀橹付�橋，�?shù)據(jù)包將通過它轉(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銷時，具有最低的橋ID的交換機(jī)會被選為指定橋。

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

橋優(yōu)先級(Bridge Priority)：是一個用戶可以設(shè)定的參數(shù)，數(shù)值范圍從0到32768。設(shè)定的值越小，優(yōu)先級越高。交換機(jī)的橋優(yōu)先級越高，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，這個端口到根橋的路徑開銷最低。當(dāng)多個端口具有相同的到根橋的路徑開銷時，具有最高端口優(yōu)先級的端口會成為根端口。

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

路徑開銷(Path Cost)：STP協(xié)議用于選擇鏈路的參考值。STP協(xié)議通過計算路徑開銷，選擇較為“強(qiáng)壯”的鏈路，阻塞多余的鏈路，將網(wǎng)絡(luò)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

生成樹基本概念的組網(wǎng)示意圖如圖所示。交換機(jī)A、B、C三者順次相連，經(jīng)STP計算過后，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定時器

聯(lián)絡(luò)時間(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)包的時間間隔，用于交換機(jī)檢測鏈路是否存在故障。

老化時間(Max. Age)：

數(shù)值范圍從6秒到40秒。如果在超出老化時間之后，還沒有收到根橋發(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，重新計算生成樹。

傳輸時延(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)遷移所用的時間。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障引發(fā)生成樹重新計算時，生成樹的結(jié)構(gòu)將發(fā)生相應(yīng)的變化。但是重新計算得到的新配置消息無法立刻傳遍整個網(wǎng)絡(luò)，如果端口狀態(tài)立刻遷移的話，可能會產(chǎn)生暫時性的環(huán)路。為此，生成樹協(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始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前要經(jīng)過2倍的傳輸時延，這個延時保證了新的配置消息已經(jīng)傳遍整個網(wǎng)絡(luò)。

STP模式的BPDU的優(yōu)先級比較原則

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的根路徑開銷小于Y，則X優(yōu)于Y

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

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

STP的計算過程

初始狀態(tài)：每臺交換機(jī)在初始時會生成以自己為根橋的BPDU，根路徑開銷為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：每臺交換機(jī)都向外發(fā)送自己的BPDU，同時也會收到其它交換機(jī)發(fā)送的BPDU。比較過程如下表所述：

根橋的選擇：通過交換配置消息，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、指定端口的選擇過程如下表所述：

RSTP

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成樹協(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，從而縮短了網(wǎng)絡(luò)最終達(dá)到拓?fù)浞�(wěn)定所需要的時間。RSTP的端口狀態(tài)實現(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對點鏈路相連。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對點鏈路，則設(shè)備可以通過與下游設(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。

點對點鏈路：是兩臺交換機(jī)之間直接連接的鏈路。

MSTP

MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol，多生成樹協(xié)議)是在STP和RSTP的基礎(chǔ)上，根據(jù)IEEE協(xié)會制定的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的特點如下：

MSTP通過VLAN-實例映射表，把VLAN和生成樹聯(lián)系起來，將多個VLAN捆綁到一個實例中，并以實例為基礎(chǔ)實現(xiàn)負(fù)載均衡。

MSTP把一個生成樹網(wǎng)絡(luò)劃分成多個域，每個域內(nèi)形成多棵內(nèi)部生成樹，各個生成樹之間彼此獨立。

MSTP在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中實現(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，多生成樹域)：由具有相同域配置和相同Vlan-實例映射關(guān)系的交換機(jī)所構(gòu)成。

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

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

CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和內(nèi)部生成樹)：連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備的單生成樹，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將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為多個MST域，各個域之間通過計算生成CST;域內(nèi)則通過計算生成多棵生成樹，每棵生成樹都被稱為是一個多生成樹實例。MSTP同STP一樣，使用BPDU進(jìn)行生成樹的計算，只是BPDU中攜帶的是MSTP的配置信息。

MSTP模式的BPDU優(yōu)先級比較原則

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

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

如果X和Y的總根ID、外部路徑開銷、域根ID、內(nèi)部路徑開銷和橋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報文，不進(jìn)行地址學(xué)習(xí)。

斷開：物理鏈路斷開。

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：物理鏈路斷開的端口。

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