华三交换机生成树

Posted 2020-08-31

 

STP

本篇的基本内容：生成树协议包括最初的STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议），能够快速收敛的RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议），以及适应多VLAN复杂环境的MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol，多生成树协议）。

         STP介绍：局域网中的物理环境通常有两种产生原因，一种是基于可靠性的考虑，为交换机之间提供冗余连接；另一种是由于错误的网络设置导致环路的产生。如果不对网络拓扑加以管理，以上两种情况均会导致严重的后果，如广播风暴和MAC地址学习错误等。

         STP在IEEE制定的802.1D标准中定义：用于在局域网中消除数据链路层环路。STP可以通过计算动态地阻断冗余链路，而当活动链路发生故障时，STP又可以激活冗余链路，恢复网络的连通，避免网络中断。

         STP消除链路层环路的基本思想：将网络拓扑修建为树形拓扑，而树形拓扑是不存在环路的。（注意）

         运行STP设备之间交互一些信息，然后通过计算实现拓扑的收敛，具体内容如下：

（1）      运行STP的设备依据一定的准则选举一个树根节点作为网络中的根桥，其他节点为非树根节点。

（2）      每一个非树根节点，会选择最优的路径和根相连，非树根节点上位于最优路径的端口，为该节点的根端口。

（3）      如果网络中存在冗余链路，则阻塞冗余链路。

每一个非树根节点都进行同样的计算，最终网络中任何两台设备之间都只有一条路径可达，从而形成一颗无环的树。

当拓扑发生变化时，节点重新进行计算，收敛为新的树形拓扑。

STP基本概念

1、  桥和端口的角色

STP中有两种特殊的网桥：根桥（Root Bridge）和指定桥（Designate Bridge）。根桥是整个生成树的根节点，由所有网桥中优先级最高的桥担任。指定桥是负责一个Physical Segment（物理段）上数据转发任务的桥，由这个Physical Segment上优先级最高的担任。

网桥上的端口有不同的角色，包括根端口（Root port）、指定端口（Designate Port）、和候补端口（Alternate port）。

根端口指定网桥上距离根最近的端口。根桥没有根端口，每一个非根桥有且仅有一个根端口

指定端口指Physical Segment上属于指定桥的端口。根桥是所有网桥中优先级最高的，它在其所连接的所有Physical Segment上都是指定桥，所以通常情况下根桥的所有端口都是指定端口。

Alternate端口指既不是根端口也不是指定端口的端口，它用来为根端口或指定端口做备份，从Alternate端口出发到达根桥的路径，是网桥到达根桥的备用路径，即最终需要阻塞的路径。

网络处于稳定状态时，根端口和指定端口处于转发状态，Alternate端口处于阻塞状态，阻塞Alternate端口，就消除了网络中的环路。

         桥ID

         STP中每一个网桥都具有一个桥ID（Bridge ID），用于在网络中唯一标识一个桥。根桥选择的依据就是桥ID，具有最小桥ID的网桥即为网络中的根桥。

         在进行桥ID的比较时，先比较桥优先级，优先级数值小者为优；在优先级相同的情况下，在比较MAC地址，MAC地址小者为优。当网桥没有哦配置优先级时，使用默认优先级32768，此时，具有最小MAC地址的网桥即为网络中的根桥。

         路径开销

非根桥需要确定根端口，根端口的选择取决于端口到达根桥距离的远近，网桥上到达根桥距离最近的端口为根端口。衡量距离远近依据是路径开销（Path Cost）。路径开销用户衡量桥与桥之间路径的优劣。STP中每条链路都具有开销值，默认的链路开销值取决于所遵循的路径开销标准以及链路带宽。路径开销等于整个路径上全部链路开销的和。

         BPDU

         STP使用BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元）来交互协议信息，BPDU分两类

（1）      配置BPDU（Configuration BPDU）：用来进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文。

（2）      TCNBPDU（Topology Change Notification BPDU）：当拓扑结果改变时，用来通知相关设备网络拓扑结构发生变化的报文。

网桥之间通过交互配置BPDU来进行根桥的选举以及端口角色的确定。配置BPDU基于二层组播方式发送，目的地址为01-80-C20-00-00-00。

配置BPDU由根桥从指定端口周期性发出，发送周期为Hello Time。非根桥从根端口接受配置BPDU，进行更新并从指定端口将其发送出去。网络中只有根桥会产生配置BPDU，非根桥只对配置BPDU进行中继，不会自行生成配置BPDU。没有运行STP协议的网桥将把配置BPDU当作普通数据帧转发。

网桥上的每个端口都会保存本端口接收到的最优配置BPDU，端口保存的配置BODU信息老化时间为Max Age时间内配置BPDU信息没有得到更新时，端口将清除保存的配置BPDU信息。

配置BPDU包含目的MAC地址、源MAC地址、帧长、逻辑链路头以及载荷

STP计算过程

STP的计算过程主要包含两个任务：选举根桥和确定端口角色。在实际计算过程中，这两个任务是同步计算完成的。

进行STP计算时，网桥将各个端口收到的配置BPDU和自己的配置BPDU作比较，得出优先级最高的配置BPDU；网桥用优先级最高的配置BPDU更新本身的配置BPDU，用于选举根桥和确定端口角色；网桥从指定端口发送新的配置BPDU。

比较配置BPDU时依据优先级向量最小者最优的原则。

根桥选举

在初始状态时，每一个网桥都还没有收到其他网桥发送的配置BPDU，此时每个网桥都认为自己是网络中的根桥，并将向外发送以自己为根桥的配置BPDU。同时也会收到对端网桥发送的配置BPDU。每一个网桥都将自身认为的Root Bridge ID 和接收到的配置BPDU中的Root Bridge ID进行比较，选择Root Bridge ID较小的作为网络中的根桥。

确定端口角色

端口角色的确定方式分为根端口确定、指定端口确定和Alternate端口确定的3个工作。

根端口的确定需要比较RPC。当网桥从一个端口收到配置BPDU后首先获取其中的RPC，和接收端口的链路开销相加，得到此端口的RPC，每个收到配置BPDU的端口都进行同样的计算，然后比较各端口的RPC，拥有最下RPC值的端口即为本网桥的根端口。

指定端口的确定需要比较端口发送的配置BPDU和接收的配置BPDU，如果发送的配置BPDU优于接收到的配置BPDU，表明端口在本Physical Segment上拥有最优的配置BPDU则该端口为指定端口。

Alternate端口指该端口的配置BPDU在其所属Physical Segment上不是最优的，且端口不是根端口。

（注意：在华三设备上该协议是默认开启的所以本篇不附实验）