生成树协议原理及配置.ppt
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1、生成树产生的背景生成树产生的背景STP、RSTP协议原理协议原理MSTP协议原理协议原理生成树配置和排错生成树配置和排错交换机二层转发基本原理交换机二层转发基本原理环路的产生和影响环路的产生和影响解决方案解决方案生成树协议生成树协议STP课程内容课程内容交换机二层转发基本原理交换机二层转发基本原理l接收接收从收到的数据帧自动学习源从收到的数据帧自动学习源MAC,加入地址表,加入地址表l转发转发根据目的根据目的MAC查地址表,从对应端口发出查地址表,从对应端口发出port1port2PC1PC20000.0000.00010000.0000.0002port1:0000.0000.0001por
2、t2:0000.0000.0002MAC address tableTo PC1To PC1PC1PC2连接存在环路时发送以下数据帧产生循环连接存在环路时发送以下数据帧产生循环目的目的MAC为广播地址为广播地址目的目的MAC为组播地址为组播地址目的目的MAC不匹配地址表不匹配地址表环路的产生和影响环路的产生和影响指定根节点指定根节点如何解决?如何解决?冗余链路冗余链路阻塞端口阻塞端口主链路主链路主链路中断主链路中断激活端口激活端口解决方案解决方案生成树协议生成树协议STP(spanning tree protocol)STP(Spanning Tree Protocol)是生成树协是生成树协议
3、的英文缩写。由议的英文缩写。由IEEE802.1D标准给出定义标准给出定义目的:协商一条到根交换机的无环路径来避目的:协商一条到根交换机的无环路径来避免和消除网络中的环路。免和消除网络中的环路。实现方案:运行一定的算法,判断网络中存实现方案:运行一定的算法,判断网络中存在环路的地方并阻断冗余链路,将环路网络在环路的地方并阻断冗余链路,将环路网络修剪成无环路的树型网络,从而避免了数据修剪成无环路的树型网络,从而避免了数据帧在环路网络中的增生和无穷循环。帧在环路网络中的增生和无穷循环。生成树产生的背景生成树产生的背景STP、RSTP协议原理协议原理MSTP协议原理协议原理生成树配置和排错生成树配置
4、和排错课程内容课程内容桥接协议数据单元(桥接协议数据单元(BPDU)STP算法的过程算法的过程 STP存在的问题以及存在的问题以及RSTP的出现的出现BPDU(bridge protocol data unit)交换机都通过交换交换机都通过交换BPDU来获取来获取STP信息。信息。交换机之间通过交换交换机之间通过交换BPDU可以实现:可以实现:(1)为生成树网络拓扑结构选择一台根交换机;)为生成树网络拓扑结构选择一台根交换机;(2)为每个交换网段选择一台指定交换机;)为每个交换网段选择一台指定交换机;(3)通过将冗余的交换机端口置于备份状态来消除交)通过将冗余的交换机端口置于备份状态来消除交换
5、网络中的环路。换网络中的环路。BPDU帧格式帧格式DMADMA(6byte6bytes s)SMASMA(6bytes6bytes)LengthLength(2byt2byteses)LLC LLC HeaderHeader(3by3bytestes)payloadpayloadDMA:目的目的MAC地址地址是一个固定的组播地址(是一个固定的组播地址(0180.c200.0000),意味着寻址这),意味着寻址这个个LAN上所有网桥(交换机)上所有网桥(交换机)SMA:源源MAC地址地址即发送者的即发送者的bridge MAC地址地址Length:帧长帧长LLC Header:固定的链路头,参数
6、值是确定的固定的链路头,参数值是确定的Payload:BPDU数据,接下来详细说明数据,接下来详细说明BPDU帧帧payload包含内容包含内容字节数字节数字段内容字段内容2Protocol ID1Version=01Message type=01Flags8Root ID4Root path cost8Bridge ID2Port ID2Message age2Max age2Hellotime2Forward delayBPDU帧主要字段含义帧主要字段含义Root ID:根交换机的:根交换机的ID,由根交换机的优先级和,由根交换机的优先级和MAC地址组合而成;地址组合而成;Root pat
7、h cost:根路径耗费,根路径耗费说明了这个:根路径耗费,根路径耗费说明了这个BPDU从根交换机传输了多远;从根交换机传输了多远;Bridge ID:指:指定交换机的定交换机的ID,发送该,发送该BPDU的交换机的交换机的信息,由交换机优先级和交换机的信息,由交换机优先级和交换机MAC地址组成;地址组成;Port ID:指:指定端口的定端口的ID,由指定端口的优先级和端口,由指定端口的优先级和端口编号组成;编号组成;MessageAge:BPDU的生存期;的生存期;MaxAge:BPDU的最大生存期;的最大生存期;HelloTime:BPDU发送的周期;发送的周期;ForwardDelay:
8、端口状态迁移的延时。:端口状态迁移的延时。BPDU帧主要字段含义帧主要字段含义交换机优先级的参数由来交换机优先级的参数由来BPDU帧主要字段含义帧主要字段含义Bridge Bridge prioritypriority(4bits4bits)Extend system Extend system IDID(12bits12bits)MACMAC(6bytes6bytes)Bridge ID-8bytes Priority valuePriority value(十六进制)(十六进制)(十六进制)(十六进制)01.8(default).F Priority valuePriority value
9、(十进制)(十进制)(十进制)(十进制)04096.32768(default).6144012bit全全0=步进值步进值4096STP算法的过程算法的过程第一步,需要选举出一个根交换机,达第一步,需要选举出一个根交换机,达到全网公认某台交换机是根交换机。到全网公认某台交换机是根交换机。RootSTP算法的过程算法的过程选举根交换机(一)选举根交换机(一)启动时,所有交换机假定自己就是根交换机,发出的启动时,所有交换机假定自己就是根交换机,发出的BPDU中中Root ID=Bridge ID。Bridge ID=32768.0000-0000-0001Root ID=32768.0000-00
10、00-0001Bridge ID=32768.0000-0000-0003Root ID=32768.0000-0000-0003Bridge ID=32768.0000-0000-0002Root ID=32768.0000-0000-0002ABCBPDUBPDUBPDUBPDUBPDUBPDUSTP算法的过程算法的过程选举根交换机(二)选举根交换机(二)B和和C收到收到A的的BPDU后,将其中后,将其中Root ID与本机与本机Root ID比较,由于比较,由于A的值最小,所以的值最小,所以B和和C将将Root ID修改为修改为A,ABC的的BPDU的的RootID达成一致,达成一致,A
11、成为唯一根交换机成为唯一根交换机Bridge ID=32768.0000-0000-0001Root ID=32768.0000-0000-0001Bridge ID=32768.0000-0000-0003Root ID=32768.0000-0000-0001Bridge ID=32768.0000-0000-0002Root ID=32768.0000-0000-0001ABCBPDUBPDUBPDUBPDUBPDUBPDUSTP算法的过程算法的过程第二步,每一台非根的交换机必须选择出根端口第二步,每一台非根的交换机必须选择出根端口到根交换机路径耗费最低的端口。到根交换机路径耗费最低的端
12、口。ABCRootRoot port(RP)Root port(RP)交换机根路径费用交换机根路径费用路径费用:和每一个端口相关,它是路径费用:和每一个端口相关,它是MAC帧通过该端口传送到帧通过该端口传送到LAN的费的费用。两个标准用。两个标准802.1D(1998)和)和802.1T(2001)根路径费用:对任何一个网桥,一定根路径费用:对任何一个网桥,一定存在一条总费用最低的到达根网桥的存在一条总费用最低的到达根网桥的路径,该路径总的费用为该网桥的路径,该路径总的费用为该网桥的根根路径费用路径费用。根根端端口口:网网桥桥所所有有端端口口中中,通通过过某某个个端端口口到到达达根根网网桥桥的
13、的路路径径总总费费用用最最低低,那那么么该该端端口口就就是是该该网网桥桥的的根根端端口口。如如果果这这样样的的端端口口不不止止一一个个,就就选选择择端端口口标标识识符符最最小小的的那那个个端端口口作作为为该该网网桥桥的的根端口。根端口。Root10M100M100M100M100MSTP算法的过程算法的过程交换机根路径费用交换机根路径费用ABCBPDUBPDURootBPDUSTP算法的过程算法的过程选择根端口(一)选择根端口(一)根交换机根交换机A发送发送Root path cost=0的的BPDU,B从从port1收到后将收到后将port1端口的路端口的路径耗费值与收到的径耗费值与收到的B
14、PDU的的Root path cost相加,得到的值作为相加,得到的值作为B发给其它端口发给其它端口BPDU的的Root path cost值值Port1Port1Port2Port2Cost=0Cost=0Cost=190+19=19STP算法的过程算法的过程选择根端口(二)选择根端口(二)ABCBPDURootBPDUPort1(RP)Port10+19=19Port219+19=38Port2Cost=0Cost=19C交换机两个端口交换机两个端口port1和和port2都收到了都收到了BPDU,各自端口耗费,各自端口耗费+各自收到各自收到BPDU的的cost,哪个端口算出来的值小哪个就
15、是,哪个端口算出来的值小哪个就是RP;若相同则比较端口优先级;若相同则比较端口优先级,小的是,小的是RP;还相同则比较端口号,小的是;还相同则比较端口号,小的是RP。1938第三步,选择指定端口(第三步,选择指定端口(Designated Port),所有物理网段都),所有物理网段都会选出到根交换机最近的端口为指定端口。会选出到根交换机最近的端口为指定端口。三个网段将会选三个网段将会选出三个出三个DP。STP算法的过程算法的过程ABCRoot网段网段1网段网段2网段网段3DPDPDPABCRoot网段网段1网段网段2网段网段3DPDPDP19=19,但,但C的的BridgeID小小STP算法的
16、过程算法的过程选择指定端口选择指定端口若从某端口收到的所有若从某端口收到的所有BPDU里里cost值都比自己从这个端口发出的值都比自己从这个端口发出的BPDU cost值大,即本端口是这个网段值大,即本端口是这个网段BPDU里里cost最小的,那么本端口就是该网段的最小的,那么本端口就是该网段的DP;若最小值有两个以上,则比较;若最小值有两个以上,则比较Bridge ID,较小者成为该网段的,较小者成为该网段的DP。Bridge ID=32768.0000-0000-0002Bridge ID=32768.0000-0000-0003BPDUBPDUCost=0Cost=0BPDUCost=1
17、9BPDUCost=19BPDUCost=19BPDUCost=19019019STP算法的过程算法的过程端口状态端口状态所有所有RP端口和端口和DP端口状态全都置为端口状态全都置为forwarding,具有交换机端,具有交换机端口所有功能;既不是口所有功能;既不是RP也不是也不是DP的端口被称为的端口被称为Non-designated Port(NDP),状态置为),状态置为blocking,只能收发,只能收发BPDU。ABCRootforwardingforwardingforwardingforwardingforwardingblocking到此,生成树就稳定下来了到此,生成树就稳定下
18、来了NDPSTP算法的过程算法的过程端口状态端口状态状态状态功能功能Disabled该端口不能运行,因为设备故障或者网络管理员的操作而导该端口不能运行,因为设备故障或者网络管理员的操作而导致。致。所有没有插线的端口,均为所有没有插线的端口,均为Disabled,选为禁用的端口,选为禁用的端口,其状态也为其状态也为Disabled。Blocking端口只能发送和接收端口只能发送和接收BPDU。Listening设置了一个定时器而且端口正在静静地等待一段时间设置了一个定时器而且端口正在静静地等待一段时间Forward Delay,以使其它交换机能够发现新的拓扑结构,以使其它交换机能够发现新的拓扑结
19、构,端口继续接收和发送端口继续接收和发送BPDU。LearningListening 时间过后,定时器被重新设置为时间过后,定时器被重新设置为Forward Delay,端口开始学习,端口开始学习MAC地址信息,并将其添加到过滤数据库地址信息,并将其添加到过滤数据库中,端口继续发送和接收中,端口继续发送和接收BPDU。Forwarding端口已准备好接收和转发帧,端口继续学习添加到过滤数据端口已准备好接收和转发帧,端口继续学习添加到过滤数据库中的库中的MAC地址信息,并且能够发送和接收地址信息,并且能够发送和接收BPDU。STP算法的过程算法的过程定时器定时器定时器定时器主要目的主要目的默认值
20、默认值 Hello Time根交换机发送配置根交换机发送配置BPDU之间的时间间隔之间的时间间隔2秒秒Forward Delay侦听和学习状态的持续时间侦听和学习状态的持续时间15秒秒Max AgeBPDU经过的最大跳数经过的最大跳数202(FORWARD TIME 1s)MAX AGE 2(HELLO TIME1s)在根交换机中配置的下列三个参数将决定所有非根交换机的对应参数。在根交换机中配置的下列三个参数将决定所有非根交换机的对应参数。STP算法的过程算法的过程拓扑改变拓扑改变TCN(Topology Change Notification)报文传播)报文传播Topology Change
21、 NotificationTopology Change AcknowledgeTopology Change Acknowledge Topology ChangeTopology ChangeRootRoot收到收到TC报文的交换机将在除收到报文的交换机将在除收到TC报文的所有其他端口清报文的所有其他端口清MAC表表STP存在的问题存在的问题引入Forward DelaySTP存在的问题存在的问题 如果网络中的拓扑结构变化频繁,网络会如果网络中的拓扑结构变化频繁,网络会频繁地失去连通性,这样用户就会无法忍频繁地失去连通性,这样用户就会无法忍受受 端口从阻塞状态进入转发状态必须经历端口从阻塞
22、状态进入转发状态必须经历两倍的两倍的Forward Delay时间,所以网络时间,所以网络拓扑结构改变之后需要至少两倍的拓扑结构改变之后需要至少两倍的Forward Delay时间,才能恢复连通性时间,才能恢复连通性!RSTP的改进的改进RSTP(快速生成树)(快速生成树)是从是从STP演化而来的,演化而来的,基本思想一样基本思想一样当交换网络拓扑结构发生变化时,当交换网络拓扑结构发生变化时,RSTP可以可以更快地恢复网络的连通性更快地恢复网络的连通性RSTP只有只有3种端口状态,具备种端口状态,具备STP的所有功能的所有功能RSTP的改进的改进加快收敛速度加快收敛速度RSTP所作的所作的3点
23、重要改进点重要改进 为根端口和指定端口设置了快速切换用的替换端口为根端口和指定端口设置了快速切换用的替换端口(Alternate Port)和备份端口(和备份端口(Backup Port)两种角色,)两种角色,当根端口当根端口/指定端口失效的情况下,替换端口指定端口失效的情况下,替换端口/备份端口就会备份端口就会无时延地进入转发状态。无时延地进入转发状态。点对点链路中,指定端口只需与下游网桥进行一次握手就点对点链路中,指定端口只需与下游网桥进行一次握手就可以无时延地进入转发状态可以无时延地进入转发状态可人工设置直接与终端相连的端口为边缘端口,直接进入可人工设置直接与终端相连的端口为边缘端口,直
24、接进入转发状态转发状态当一个端口被选为指定端口之后,如果是点对当一个端口被选为指定端口之后,如果是点对点链路,即该指定端口的对端只有一个端口,点链路,即该指定端口的对端只有一个端口,这个指定端口先发出这个指定端口先发出proposal请求,对端的网请求,对端的网桥在条件满足的时候会发出桥在条件满足的时候会发出agreement应答,应答,指定端口接收到这个指定端口接收到这个agreement应答之后就可应答之后就可以以Forwarding了。了。RSTP-点对点链路握手点对点链路握手STP端口状态端口状态RSTP端口状态端口状态该端口是否包含在该端口是否包含在活动拓扑中?活动拓扑中?该端口是否
25、学习该端口是否学习MAC地址?地址?DisabledDiscarding否否Blocking否否Listening否否LearningLearning否是ForwardingForwarding是是RSTP与与STP端口状态对比端口状态对比l协议不同协议不同STP802.1D,RSTP802.1Wl端口状态转换方式不同端口状态转换方式不同STP5种,种,RSTP3种种l 配置消息报文格式不同配置消息报文格式不同l拓扑改变消息的传播方式不同拓扑改变消息的传播方式不同RSTP与与STP几个不同几个不同RSTP的的BPDU帧帧字节数字节数字段内容字段内容2Protocol ID1Version=21
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