交换和生成树协议.ppt

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1、1福建师范大学软件学院FACULTY OF SOFTWARE交换和生成树协议SwitchingandSTP熊金波福建师范大学软件学院2福建师范大学软件学院问题的提出问题的提出(Bring forward some problems)I want to send a frame to host Y.服务器服务器/主机主机Y网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Z问题问题1：交换的交换的方式有哪些？方式有哪些？交换由什么实交换由什么实现？交换机的现？交换机的功能有哪些？功能有哪些？问题问题2：为了提高网络为了提高网络性能，可以采取冗余拓性能，可以采取冗余拓扑结构，其主要优

2、点是扑结构，其主要优点是什么？但却给网路带来什么？但却给网路带来物理环路，环路能导致物理环路，环路能导致哪些问题？如何解决？哪些问题？如何解决？3福建师范大学软件学院教学目标（教学目标（Objectives ）5.1 第第2层交换层交换(The Layer 2 Switching)5.2 生成树协议生成树协议(Spanning Tree Protocol)4福建师范大学软件学院5.1 第第2层交换层交换(The Layer 2 Switching)5.1.1交换基础(BasicofSwitching)5.1.2第2层交换的优越性和局限性(Theadvantageanddisadvantageo

3、fthelayer2switching)5.1.3两种交换方法(TwoSwitchingMethods)5.1.4交换机三种交换功能(ThreeSwitchFunctions)5福建师范大学软件学院5.1.1 交换基础交换基础(Basic of Switching)1第2层交换是在LAN上使用设备硬件地址对网络进行分段的过程Thelayer2switchingisaprocesswhichuseMACaddresstosubnetinLAN.2交换技术能将大的冲突域分隔为小的冲突域Switchingtechnologycanseparatethemajorconflictdomainintos

4、mallseparateconflictdomain.3生成树协议可以防止在第2层交换式网络中产生环路Spanning-TreeProtocolcanpreventloopinThelayer2switchingnetwork.4交换机实现第2层交换Switchesimplementthelayer2switching.6福建师范大学软件学院5.1.2 第第2层交换的优越性层交换的优越性(The advantage of the layer 2 switching)基于硬件的桥接(ApplicationSpecificIntegratedCircuits,ASIC)线速(Wirespeed)低

5、延迟(Low-latency)低成本(Low-cost)7福建师范大学软件学院5.1.2 第第2层交换的局限性层交换的局限性(The disadvantage of the layer 2 switching)1默认不能分隔广播域(cannotseparatebroadcastdomain)2广播、组播、以及生成树协议的慢收敛，降低了网络性能，因此，第2层交换机不能完全取代路由器(broadcast、multicastandSTPsslowconvergence,reducingthenetworkperformance,so,switchescannotcompletelyreplaceth

6、erouters)8福建师范大学软件学院5.1.3 两种交换方法两种交换方法（Two Switching Methods）9福建师范大学软件学院5.1.3 存储转发特征存储转发特征（Store-and-forward Feature）1.在转发之前整个帧被接收Theentireframeisreceivedbeforeanyforwardingtakesplace.2.由于交换开始之前要接收完整个帧，较大的数据帧延迟会较大Latencyisgreaterwithlargerframesbecausetheentireframemustbereceivedbeforetheswitchingpr

7、ocessbegins.10福建师范大学软件学院5.1.3 直通特征直通特征（Cut-through Feature）1.在接收完整帧之前，帧就被转发。Theframeisforwardedthroughtheswitchbeforetheentireframeisreceived.2.最快的是只要读到目的地址就转发。Ataminimumtheframedestinationaddressmustbereadbeforetheframecanbeforwarded.3.这种模式降低了延迟，但是不进行检错Thismodedecreasesthelatencyofthetransmission,b

8、utalsoreduceserrordetection.直通转发的类型：直通转发的类型：一、快速转发（Fast-forward）二、无碎片方式（Fragment-free）11福建师范大学软件学院地址学习（Addresslearning）决定转发或过滤帧（Forward/Filterframedecision）避免环路（Loopavoidance）5.1.4 交换机的三种交换功能交换机的三种交换功能(Three Switch Functions)12福建师范大学软件学院5.1.4 交换机学习主机地址交换机学习主机地址（Switch Learn Host Address）初始MAC地址表是空的I

9、nitialMACaddresstableisemptyMAC address table0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD13福建师范大学软件学院5.1.4 交换机学习主机地址交换机学习主机地址（Switch Learn Host Address）A向C发送帧（StationAsendsaframetoStationC）交换机将A的MAC地址和其对应的接口E0放入MAC地址表SwitchcachesstationAMACaddresstoportE0bylearningthesourcead

10、dressofdataframes该帧向除了E0接口的所有接口泛洪TheframefromstationAtostationCisfloodedouttoallportsexceptportE0MAC address table0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBA14福建师范大学软件学院5.1.4 交换机学习主机地址交换机学习主机地址（Switch Learn Host Address）D向C发送帧(StationDsendsaframetostationC)交

11、换机将D的MAC地址和其对应的接口E3放入MAC地址表SwitchcachesstationDMACaddresstoportE3bylearningthesourceAddressofdataframes该帧向除了E3接口的所有接口泛洪TheframefromstationDtostationCisfloodedouttoallportsexceptportE3(unknownunicastareflooded)MAC address table0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E

12、3:0260.8c01.4444E0E1E2E3DCAB15福建师范大学软件学院5.1.4 交换机过滤帧交换机过滤帧（Switches Filter Frames）A向C发送帧StationAsendsaframetostationC目的地址已知，帧不被泛洪Destinationisknown,frameisnotflooded0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3X XX XDCABMAC address table16福建师范大学软件学院5.1.4 交换机避免环路交换机避免环路(Loop avoida

13、nce)1交换机之间的冗余链路是一件好事，万一某个链路出现故障，冗余链路可以用来防止整个网络失效。Redundantlinkbetweenswitchesisagoodthing,oncealinkfailure,redundantlinkscanbeusedtopreventthefailureoftheentirenetwork.2虽然冗余链路有用，但是它同时带来非常严重的问题，数据帧可以同时被广播到所有冗余链路上，导致网络环路。Althoughredundantlinkisuseful，butitalsobringsomeseriousproblems,dataframescanbesi

14、multaneouslybroadcasttoallredundantlinks,theresultisnetworkloop.3生成树协议可以避免网络环路。SpanningTreeProtocolcanbeavoidedloopnetwork.17福建师范大学软件学院主机D发送广播帧或多点帧StationDsendsabroadcastframeorMulticastframe广播帧或多点帧泛洪到除源端口外的所有端口AbroadcastframeorMulticastframeisfloodedouttoallportsexceptportE35.1.4 广播帧和多点传送帧广播帧和多点传送帧

15、(broadcast frame and Multicast frame)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3DCABE0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.4444MAC地址表地址表18福建师范大学软件学院5.1.4 网络冗余拓扑网络冗余拓扑(Network Redundant Topology)冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题Agoalofredundanttopologiesistoelimina

16、tenetworkoutagescausedbyasinglepointoffailure.冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定等问题 Butredundanttopologyhasbroughtthebroadcaststorms,multipleframecopiesandMACaddresstableinstabilityproblems.网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y所有的网络需要冗余来提高可靠性Allnetworksneedredundancyforenhancedreliability.19福建师范大学软件学院主机X发送一广播信息

17、StationXsendsabroadcastmessages 5.1.4(1)(1)广播风暴广播风暴(Broadcast Storm)交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y broadcast 20福建师范大学软件学院5.1.4(1)(1)广播风暴广播风暴(Broadcast Storm)主机X发送一广播信息StationXsendsabroadcastmessages交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y broadcast 21福建师范大学软件学院交换机不停地发出广播信

18、息Switchesconstantlybroadcastmessages5.1.4(1)(1)广播风暴广播风暴(Broadcast Storm)交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y broadcast 22福建师范大学软件学院5.1.4(2)(2)重复帧重复帧(Repeat Frame)主机X发关一单点帧给路由器YStationXsendsaunicastframetorouterY.路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到TheMACaddressofrouterYhasnotbeenlearnedbyswitchAandB

19、.sotheunknownunicastframetoRouterYwillbeflooded.unicast交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y unicast23福建师范大学软件学院主机X发关一单点帧给路由器YStationXsendsaunicastframetorouterY.路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到TheMACaddressofrouterYhasnotbeenlearnedbyswitchAandB.路由器Y会收到同一帧的两个拷贝RoutersYwillreceivetwocopiesofthesa

20、meframe5.1.4(2)(2)重复帧重复帧(Repeat Frame)unicastunicastunicast交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y24福建师范大学软件学院主机X发送一单点帧给路由器Y路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口05.1.4(3)MAC(3)MAC地址表不稳定地址表不稳定(MAC address table instability)unicast unicast端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网

21、段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y25福建师范大学软件学院主机X发送一单点帧给路由器Y路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口0到路由器Y的数据帧在交换机A和B上会泛洪处理交换机A和B都错误学习到主机X的MAC地址对应端口15.1.4(3)MAC(3)MAC地址表不稳定地址表不稳定(MAC address table instability)Unicast unicast端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Yunicast2

22、6福建师范大学软件学院更复杂的拓扑结构可能导致多重回路Morecomplextopologymayleadtomultipleloop.在第2层没有能够防止这种回路的机制Layer2hasnomechanismtostoploops.5.1.4(4)(4)多重回路问题多重回路问题(Multiple loop Problem)服务器服务器/主机主机工作站工作站回路回路1回路回路2回路回路3 broadcast27福建师范大学软件学院5.1.4 回路的解决办法回路的解决办法:生成树协议生成树协议(Spanning-Tree Protocol)将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑中产生回

23、路Aloopedtopologyisoftendesiredtoprovideredundancy,butloopedtrafficisundesirable.TheSpanningTreeProtocolwasoriginallydesignedforbridges.Today,itisalsoappliedtoLANswitchesandroutersoperatingasabridge.STPensuresallbridgedsegmentsarereachablebutanypointswhereloopsoccurwillbeblocked.阻阻 塞塞x28福建师范大学软件学院5.2

24、 生成树协议生成树协议(Spanning Tree Protocol)5.2.1创建逻辑无环路拓扑(Creatingalogicalloopfreetopology)5.2.2STP术语(STPTerms)5.2.3Spanning-TreeProtocol5.2.4生成树操作(Spanning-TreeOperation)5.2.5生成树端口状态(Spanning-TreePortStates)29福建师范大学软件学院5.2.1 创建逻辑无环路拓扑创建逻辑无环路拓扑(Creating a logical loop free topology)1.冗余增加了可靠性，但是同时将物理环路带进网络R

25、eliabilityisincreasedbyredundancy.redundancyconnectionsintroducephysicalloopsintothenetwork.2.解决办法就是创建逻辑无环路拓扑，同时保留物理环存在Thesolutionistoallowphysicalloops,butcreatealoopfreelogicaltopology.3.无环路拓扑称为树，并且是可扩展的树Theloopfreelogicaltopologycreatediscalledatree.Itisaspanningtreebecausealldevicesinthenetworka

26、rereachableorspanned.4.创建逻辑无环路拓扑结构的算法称为生成树算法Thealgorithmusedtocreatethisloopfreelogicaltopologyisthespanning-treealgorithm.30福建师范大学软件学院5.2.2 STP术语术语(STP Terms)桥桥ID(Bridge ID)开销开销(Cost)桥协议数据单元桥协议数据单元(BPDU)31福建师范大学软件学院5.2.2 桥桥ID(Bridge ID,BID)1.BID用来识别每一个交换机用来识别每一个交换机/网桥。网桥。2.BID用来确定网络的中心，在用来确定网络的中心，在

27、STP中称为根桥。中称为根桥。3.优先级默认为优先级默认为32768The BID consists of a bridge priority that defaults to 3276832福建师范大学软件学院5.2.2 开销开销(Cost)最短路径是cost累加，而cost是基于链路的速率的。Shortestpathisbasedoncumulativelinkcosts.Linkcostsarebasedonthespeedofthelink.33福建师范大学软件学院5.2.2 桥协议数据单元桥协议数据单元(BPDU)1.交换机发送的创建逻辑无环路的数据信息称为BPDUThemessag

28、ethataswitchsends,allowingtheformationofaloopfreelogicaltopology,iscalledaBridgeProtocolDataUnit(BPDU).2.BPDU在阻塞的接口上也可以接收，这确保如果链路或设备出现问题，新的生成树会被计算BPDUscontinuetobereceivedonblockedports.Thisensuresthatifanactivepathordevicefails,anewspanningtreecanbecalculated.3.默认情况下，BPDU每2秒发送一次BydefaultBPDUsaresen

29、teverytwoseconds.34福建师范大学软件学院5.2.3 Spanning-Tree Protocol35福建师范大学软件学院5.2.4 生成树操作生成树操作(Spanning-Tree Operation)36福建师范大学软件学院 Spanning-Tree Operation1.选举根桥，BID最小即是Selectasingleswitchthatwillactastherootofthespanningtree.2.计算自己到根桥距离Calculatetheshortestpathfromitselftotherootswitch.3.选择根端口，距离根桥最近的接口Choos

30、eoneofitsportsasitsrootport,foreachnon-rootswitch.Thisistheinterfacethatgivesthebestpathtotherootswitch.4.选择指定端口和非指定端口，非指定端口被阻塞。Selectportsthatarepartofthespanningtree,thedesignatedports.Non-designatedportsareblocked.37福建师范大学软件学院BPDU=Bridge protocol data unit(缺省地每缺省地每2秒发送秒发送BPDU数据数据)根桥根桥=有最低桥识别码的桥有最

31、低桥识别码的桥桥识别码桥识别码=桥优先级桥优先级+桥桥MAC地址地址例中，例中，哪个交换机的桥识别码最低哪个交换机的桥识别码最低?交换机交换机 Y缺省的优先级缺省的优先级 32768(8000 十六进制十六进制)MAC 0c0022222222交接机交接机 X缺省的优先级缺省的优先级 32768(8000 十六进制十六进制)MAC 0c0011111111 BPDU Root Bridge的选择的选择(Select the Root Bridge)38福建师范大学软件学院请指出请指出:根桥根桥指定端口、非指定端口和根端口指定端口、非指定端口和根端口?各端口分别是转发还是阻塞状态各端口分别是转发

32、还是阻塞状态?端口端口的选择的选择(Select the Port)交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级缺省的优先级 32768交换机交换机XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口0端口端口1端口端口 0端口端口1交换机交换机 ZMac 0c0011110000缺省的优先级缺省的优先级 32768端口端口 0 100baseT100baseTCost=19Cost=19Cost=19根端口：根端口：具有最低根路径的接口指定端口要考虑的因素：指定端口要考虑的因素：1最低的根桥ID2最低的根路径代价3最低发送者桥ID4最低发送者端口ID

33、39福建师范大学软件学院 端口端口的选择的选择(Select the Port)端口端口 0 100baseT100baseT指定端口指定端口(F)根端口根端口(F)非指定端口非指定端口(阻塞阻塞)指定端口指定端口(F)根端口根端口(F)交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级缺省的优先级 32768交换机交换机XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口0端口端口1端口端口 0端口端口1交换机交换机 ZMac 0c0011110000缺省的优先级缺省的优先级 32768Cost=19Cost=19Cost=19根桥根桥非根桥非根桥非根桥非

34、根桥40福建师范大学软件学院5.2.4 生成树操作规则生成树操作规则(Spanning-Tree Operation Rules)1.每个网络只有一个根桥Onerootbridgepernetwork.2.每个非根桥只有一个根端口Onerootportpernonrootbridge.3.每个段只有一个指定端口Onedesignatedportpersegment.4.非指定端口不被使用Nondesignatedportsareunused.41福建师范大学软件学院5.2.5 生成树端口状态生成树端口状态(Spanning-Tree Port States)42福建师范大学软件学院5.2.5

35、生成树端口状态生成树端口状态(Spanning-Tree Port States)1.在阻塞状态，端口仅能接收BPDU,需要20秒改变这种状态Intheblockingstate,portscanonlyreceiveBPDUs.Itmaytakeupto20secondstochangefromthisstate.2.在侦听状态，交换机确定是否有到根桥的其它路径。该状态持续15秒。在该状态，用户的数据不能转发，也不能学习MAC地址Inlisteningstate,switchesdetermineifthereareanyotherpathstotherootbridge.theforwar

36、ddelayandlastsfor15seconds.Inthelisteningstate,userdataisnotbeingforwardedandMACaddressesarenotbeinglearned.43福建师范大学软件学院5.2.5 生成树端口状态生成树端口状态(Spanning-Tree Port States)3.在学习状态，用户的数据不能转发，但是可以学习MAC地址，该状态持续15秒Inlearningstateuserdataisnotforwarded,butMACaddressesarelearnedfromanytrafficthatisseen.Thelear

37、ningstatelastsfor15secondsandisalsocalledtheforwarddelay.4.在转发状态，用户数据被转发，MAC地址继续学习，BPDU仍然工作InforwardingstateuserdataisforwardedandMACaddressescontinuetobelearned.BPDUsarestillprocessed.44福建师范大学软件学院Case StudyRefer to the exhibit.All switches have the default STP configuration and all links are Fast E

38、thernet.Which port on which switch will Spanning Tree place in blockingmode?45福建师范大学软件学院6 总结总结(Summarize)1 交换的基本概念交换的基本概念2 交换的方式交换的方式3 交换机的交换功能交换机的交换功能4 冗余拓扑导致网络环路问题冗余拓扑导致网络环路问题5 生成树协议解决环路问题生成树协议解决环路问题6 STP工作原理和操作工作原理和操作7 STP的端口状态的端口状态46福建师范大学软件学院7 思考题思考题(Questions)1.交换机三种主要的功能是什么？交换机三种主要的功能是什么？2.交换

39、机怎样学习主机地址？交换机怎样学习主机地址？3.什么是存储转发？什么是存储转发？4.什么是快速转发？什么是快速转发？5.什么是无碎片方式转发？什么是无碎片方式转发？6.环路的存在，会导致环路的存在，会导致 、和和 问题。问题。7.交换机的交换机的ID由由 和和 组成。组成。8.选举根桥时，具有较选举根桥时，具有较 值的桥值的桥ID的交换机会成为根桥。的交换机会成为根桥。9.100M链路的新链路的新STP Cost为为 。10.STP收敛后收敛后 口和口和 口是处于转发状态的。口是处于转发状态的。11.决定指定端口时，会按顺序考虑决定指定端口时，会按顺序考虑 、和和 因素。因素。12.缺省时，转发延时为缺省时，转发延时为 秒，秒，Hello时间为时间为 秒，秒，BPDU的存活时的存活时间为间为 秒。秒。13.STP中，交换机的端口有中，交换机的端口有 、和和 状态。状态。