生成树协议（STP）原理与配置PVST+实现负载均衡

Posted 2020-10-03

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了生成树协议（STP）原理与配置PVST+实现负载均衡相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

交换网络环路的产生

在实际网络环境中，物理环路可以提高网络的可靠性，当一条线路断掉时，另一条线路仍然可以传输数据。但是，当交换机收到广播请求时，交换机就根据转发原理（交换机从除收到该广播帧之外的所有端口转发广播帧），形成了一个环路，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。

但是环状的物理线路能够为网络提供备份线路，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，一方面能够保证网络的可靠性，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的。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。

STP简介

STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）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，来生成一个逻辑上的树形结构。当线路发生故障时，被阻塞的线路就重新激活，使数据从这条线路正常传输。

生成树算法

生成树协议运行生成树算法（Spanning Tree Algorithm，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：

第一步:选择根网桥（Root Bridge）

第二步:选择根端口（Root Ports）

第三步:选择指定端口（Designated Ports）

网桥：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。在Cisco教程里习惯称为“网桥”，在这指的就是“交换机”。

1.选择根网桥（在一个环形网络中，可以出现多个根网桥（有多个VLAN的时候，或者做负载均衡的时候），默认只有一个）

选择根网桥的依据是网桥ID，网桥ID是一个八字节的字段，前两个字节的十进制数称为网桥优先级，后两个字节是网桥的MAC地址。

网桥优先级是用于衡量网桥在生成树算法中优先级的十进制数，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在交换机版本信息中查看交换机自身的MAC地址。

* 按照生术数算法的定义，当比较某个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。

2.选择根端口（在每个非根网桥上选择一个）

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某种关联，因此STP将开始选择根端口的过程。根端口存在于非根网桥上，需要在每个非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：

（1）到根网桥最低的根路径成本

（2）直连的网桥ID最小

（3）端口ID最小（直连对端的网桥端口ID最小的端口所对应的端口）

根路径成本是两个网桥间的路径上所有线路的成本之和，也就是某个网桥到达根网桥的中间所有线路的路径成本之和。

路径成本用来代表一条线路带宽的大小，一条线路的带宽越大，它传输数据的成本也就越低。

端口ID是一个二字节的STP参数，由一个字节（8位）的端口优先级和一个字节（8位）的端口编号组成。

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示符。在基于IOS的交换机上，可以支持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。

注意：在比较端口ID值时，比较的是接收到的对端的端口ID值。

3.选择指定端口（在每条链路上选择一个）

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，所有的线路仍连接在一起，并可能都处于活动状态，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与根端口相同，按顺序有以下三个：

(1)根路径成本较低

(2)所在的交换机的网桥ID的值较小

(3)端口ID的值较小

* 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时，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端口时，比较端口ID值，选择较小的作为指定端口。

注意：和选择根端口不同，在比较端口ID值时，比较的是自身的端口ID值。

生成树算法验证

在交换机上使用命令查看生成树

Switch# show spanning-tree

桥协议数据单元（BPDU）

交换机之间通过BPDU（桥协议数据单元，Bridge Protocol Data Unit）来交换网桥ID、根路径成本等信息。交换机从端口发送出一个BPDU帧，使用该端口本身的MAC地址作为源地址。交换机本身并不知道它周围是否还有其他的交换机存在。因此，BPDU帧利用了一个STP组播地址（01-80-c2-00-00-00）作为它的一个目的地址，使之能到达相邻的，并处于STP侦听状态的交换机。

每隔两秒，便向所有的交换机端口发送一次BPDU报文，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。

1.BPDU的两种类型

(1) 配置BPDU，用于生成树计算。

(2) 拓扑变更通告（Topology Change Notification，TCN）BPDU，用于通告网络拓扑的变化。

2.BPDU报文字段

BPDU中包含根网桥ID、根路径成本、发送网桥、端口ID和计时器等，下面是对BPDU几个关键字段作用的解释。

(1) 根网桥ID：由一个二字节优先级和一个六字节网桥MAC地址组成。这个信息组合表明已经被选定为根网桥的设备标识。

(2) 根路径成本：说明这个BPDU从根网桥传输了多远，成本是多少。这个字段的值决定哪些端口将进行转发，哪些端口将被阻断。

(3) 发送网桥ID：这是发送BPDU的网桥信息，由网桥的优先级和网桥MAC地址组成。

(4) 端口ID：由一个字节的端口优先级和一个字节的端口编号组成。

(5) 计时器：计时器用于说明生成树用多长时间能完成它的每项功能。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。

3.STP利用BPDU选择根网桥的过程

根网桥的选择是一个持续、反复进行的过程，它没两秒触发一次，检查BPDU的根网桥ID是否发生了变化、网桥是否有网桥ID值更低的交换机加入进来。

STP的收敛

1.生成树端口的状态

生成树协议在交换机中自动运行，在交换机开机的时候可以看到，交换机的指示灯显示为***，并且大约有30S的时间不能转发数据，这时交换机是在做STP计算。直到交换机的STP计算完毕，有些端口可以转发数据，有些端口被阻塞，也就是网络收敛后，交换机才开始转发数据。并且，当网络的拓扑发生变化的时候，交换机还要重新运行STP计算，形成新的逻辑的拓扑结构。

在STP运算过程中，交换机的每一个端口都必须依次经历好几种状态，如图所示：

2． 生成树计时器

STP在交换机相互发送BPDU报文时，尽力形成一个无环路的拓扑。BPDU从一台交换机传到另一台交换机时，总要花费一定的时间。另外，当拓扑改变（如线路或根网桥故障）的消息从网络的一侧传送到另一侧时，也要经历一定的传播延迟。由于存在这些延迟，所以需要为交换机设置足够的时间来完成BPDU的转发和生成树的运算，因袭，在交换机内部设置了一些计时器来控制每个阶段的时间长度。

STP利用三种计时方法来确定一个网络正确的收敛。现将STP计时器及它们的默认值描述如下：

* Hello时间：网桥发送配置BPDU报文之间的时间间隔。IEEE802.1q标准规定的默认访问时间为两秒。

* 转发延迟：一个交换机端口在Listening（侦听）和Learning（学习）状态所花费的时间间隔，它的默认值各为15S。

* 最大老化时间：交换机在丢失BPDU报文之前存储它的最大时间。

侦听和学习都是生成树所实施的过渡状态，用来强迫端口等待来自其他交换机上的所有BPDU。典型的端口过渡如下：

A.从阻塞到侦听（20s）

B.从侦听到学习（15s）

C.从学习到侦听（15s）

当启用STP时，VLAN上面的每台交换机在加电以后都经过从给阻塞到侦听、学习的过渡状态。

STP计时器可以用命令予以配置和调整。不过，如不是经过认真考虑和规划，建议不要轻易改变计时器的默认值。

STP与VLAN的关系

VLAN与生成树之间的关系主要有以下几种：

1.IEEE的CST（Common Spanning Tree，通用生成树）

2. Cisco的PVST（Per VLAN Spanning Tree，每VLAN生成树）

3.Cisco的PVST+（Per VLAN Spanning Tree Plus，增强的每VLAN生成树）

4. IEEE的MST（Multiple Spanning Tree，多生成树）

其中，CST不考虑VLAN，以交换机为单位运行STP（整个交换网络生成一个STP实例），交换机中划分VLAN不会产生广播环路。但是由于CST不考虑VLAN，所以经过STP计算后会阻塞其中的一个端口。

PVST是Cisco私有的协议，PVST为每个虚拟局域网运行单独的生成树实例（每个VLAN生成一个STP实例）。

PVST为每个VLAN运行独立的一个生成树实例，能优化根网桥的位置，能为所有的VLAN提供最优路径（因为VLAN的拓扑结构各不相同）。

但是，PVST也不是完美的，主要缺点如下：

1.为了维护针对每个VLAN而生成的生成树，交换机的利用率（如CPU负载）会更高。

2. 为了支持各个VLAN的BPDU，需要占用更多的Trunk线路带宽。

3. PVST与IEEE的CST不兼容，使得运行PVST的Cisco交换机不能与其他厂家的交换机进行互操。

为了解决和其他厂商的交换机进行互操作的问题，Cisco开发了PVST+。PVST+允许CST的信息传给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+为每一个VLAN生成一个生成树实例，而每个实例都要占用交换机的CPU和内存资源。随着VLAN的增加，实例也会增加，这导致维护生成树实例将占用较多的交换机资源。

1. 配置PVST+的意义

因为在交换网络中，如果一个根网桥不稳定，那么这个网络就需要经常惊醒STP运算，经常变化逻辑拓扑。因此，可以说，如果网络中有一个不稳定的根网桥，就会有一个不稳定的网络。

而在交换机选择根网桥的时候，如果不修改网桥ID中的优先级，那么选择的依据就是交换机的MAC地址，而MAC地址是随机的，很可能就会碰到这种情况：网络中最边缘的交换机被选择成了根网桥。因此，虽然生成树在交换机中自动运行，但是，合理的配置能够对网络进行优化。

除了配置网络中比较稳定的交换机为根网桥外，PVST+的配置主要还有以下几个方面：

1) 利用PVST+实现网络的负载均衡

配置两台或多台核心交换机分别为不同VLAN的根网桥，使不同的VLAN中各接入交换机上选择的根端口不同，因此，不同的VLAN的数据传输使用的线路也不同，以达到两条或多条线路之间负载均衡的目的。

2) 配置速端口（PostFast）

使连接终端的端口快速进入到转发状态。主机连接到交换机的端口，如果主机关闭后再开机，交换机的端口状态会先变为down再变为up。这时，此端口直到STP进入转发状态后才可用，如果使用默认的STP计时器，端口从down到STP的转发状态需要至少30秒。这就导致主机必须等待端口进入转发状态后，才能接收或转发数据。

当单台主机连接到交换机的一个端口时，不可能形成环路，所以Cisco交换机提供了速端口功能。在端口启用速端口功能后，当端口从down到up状态时，该端口不经过侦听和学习状态，直接进入转发状态，节省30秒的转发延迟。然而，该端口仍然运行生成树协议，如果检测到了环路，也能够从转发状态转换到阻塞状态。速端口只能配置在连接终端的接口上，否则就有可能导致短时间的生成树的环路。

2. PVST+配置命令

（1） 启用生成树命令

交换机在默认情况下启用生成树。通过在此命令前加no，可以关掉某个VLAN的生成树，但是，一般情况下，即使网络中不存在物理环路，也不建议关闭生成树。启用生成树的命令如下：

Switch(config)# spanning-tree vlan vlan-list

（2） 指定根网桥

由于MAC地址不可更改，所以要指定VLAN的优先级。可以使用下面命令更改优先级。

Switch(config)# spanning-tree vlan vlan-list priority Bridge-priority

其中，Bridge-priority默认为32768，范围是0-65535，可以通过此命令同时更改多个VLAN的网桥优先级，例如VLAN5和VLAN10-20的网桥优先级配置为4096，如下所示：

Switch(config)# spanning-tree vlan 5,10-20 priority 4096

除了更改网桥的优先级外，还可以使用命令指定交换机为根网桥，如果配置为primary，则交换机的优先级变为24576，配置secondary，优先级变为28672。配置根网桥的命令如下：

Switch(config)# spanning-tree vlan vlan-list root {primary | secondary}

注意：配置VLAN负载均衡的两种方法的目的都是改变STP的优先级，且配置的STP优先级必须是4096的倍数。