【淺析如何利用STP解決網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問題4000字（論文）】

第第7頁共9頁淺析如何利用STP解決網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問題167061STP產(chǎn)生的原因 1233472STP的工作過程 168202.1橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU） 1302602.2STP根橋的選舉 243022.3STP端口角色的確定 221282.4STP根路徑開銷 277482.5STP橋ID的作用 2122012.6STP端口ID的作用 3265373BPDU的組成以及生成樹算法的實現(xiàn)過程 323844STP對于網(wǎng)絡(luò)故障的處理 4237654.1鏈路故障處理 4144664.2臨時回路處理 4255304.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化后的處理 49353結(jié)論 625382參考文獻(xiàn) 7第一章1STP產(chǎn)生的原因一個局域網(wǎng)一般由多臺交換機互連而成，為了提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，需要網(wǎng)絡(luò)具有冗余的鏈路，而存在冗余鏈路的局域網(wǎng)中，很容易造成路徑回環(huán)，形成廣播風(fēng)暴，從而造成網(wǎng)絡(luò)故障。透明網(wǎng)橋再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時，雖然它能夠按照MAC地址表進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)發(fā)，但是它不會對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀做任何的修改，也不會記錄對該數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)記錄。所以在某種情況下，交換機會再次收到該數(shù)據(jù)幀時，它還會毫無記錄進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。這樣數(shù)據(jù)幀可能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)路中不斷的循環(huán)和增生，在網(wǎng)絡(luò)中造成大量的重復(fù)幀，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞，尤其在遇到廣播幀時，更容易造成廣播風(fēng)暴。如何解決這個問題呢，生成樹協(xié)議STP（SpanningTreeProtocol）應(yīng)運而生。STP的根本目的是將一個存在物理環(huán)路的交換網(wǎng)絡(luò)變成一個沒有環(huán)路的邏輯樹型網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到邏輯上裁剪冗余環(huán)路，同時物理上實現(xiàn)鏈路備份和路徑最優(yōu)化。STP通過在交換機上運行STA算法來實現(xiàn)對鏈路的管理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有環(huán)路時，主動地在邏輯上阻斷一個或多個冗余端口，使得接入網(wǎng)絡(luò)的計算機在與其它計算機通訊時，只有一條鏈路生效，STP持續(xù)地探測網(wǎng)絡(luò)，而當(dāng)這個鏈路出現(xiàn)故障無法使用或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時，STP會重新計算網(wǎng)絡(luò)鏈路，重新配制端口，這樣既保障了網(wǎng)絡(luò)的正常運行，又保障了冗余能力。第二章2STP的工作過程2.1橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）STP采用的協(xié)議報文是BPDU（BridgeProtocolDataUnit，橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元），BPDU中包含了各種信息來完成STP的計算。BPDU報文分為兩類：配置BPDU（Con?gurationBPDU）：用來進(jìn)行生成樹計算和維護(hù)生成樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的報文。TCNBPDU（TopologyChangeNoti?cationBPDU）：當(dāng)生成樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，用來通知網(wǎng)絡(luò)上相關(guān)設(shè)備拓?fù)涓淖兊膱笪?。BPDU報文包含以下幾個重要的信息：根橋ID（RootID）：由根橋的優(yōu)先級和MAC地址組成。通過比較根橋ID，來確定誰是最終唯一的根橋。根路徑開銷（RootPathCost）：到根橋的最小路徑。根橋本身的路徑開銷為0；其余的非根橋的最小路徑開銷為到達(dá)根橋的最短路徑上所有路徑的開銷之和。指定橋ID（DesignatedBridgeID）：生成或轉(zhuǎn)發(fā)BPDU的橋ID，有橋優(yōu)先級和橋MAC地址組成。指定端口（DesignatedPortID）：發(fā)送BPDU的端口ID，有端口優(yōu)先級和端口索引號組成。2.2STP根橋的選舉網(wǎng)絡(luò)中每臺設(shè)備都有自己的橋ID，橋ID由橋優(yōu)先級和橋MAC地址兩部分組成。因為橋MAC地址在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，所以能夠保證橋ID在網(wǎng)絡(luò)中也是唯一的。在進(jìn)行橋ID比較時，先比較優(yōu)先級，優(yōu)先級值小者優(yōu)先；在優(yōu)光級相等的情況下，再用MAC地址來進(jìn)行比較，MAC地址小者優(yōu)先。網(wǎng)絡(luò)初始化時，網(wǎng)絡(luò)中所有的STP設(shè)備都認(rèn)為自己是“根橋”。設(shè)備間通過交換配置BPDU而比較橋ID，網(wǎng)絡(luò)中橋ID最小的設(shè)備被選為根橋。根橋則會按照一定的時間間隔產(chǎn)生并向外發(fā)送配置BPDU。其他設(shè)備對該配置BFDU進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而保證了拓?fù)涞姆€(wěn)定。2.3STP端口角色的確定STP的作用是通過阻斷冗余鏈路使一個有回路的橋接網(wǎng)絡(luò)修剪成一個無回路的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將已通過將環(huán)路上的某此端日置為阻塞狀態(tài)，不允許數(shù)據(jù)幀通過而做到這一點。下面是確定哪此端口是阻塞狀態(tài)的過。（1）根橋上的所有端口為指定端口。（2）為每個非根橋選擇根路徑開銷最小的那個端口作為根端口，該端口到根橋的路徑是此網(wǎng)橋到根橋的最佳路徑。（3）為每個物理段選出根路徑開片銷最小的那個網(wǎng)橋作為指定橋，該指定橋到該物理段的端口作為指定端口，負(fù)責(zé)所在物理段上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。（4）既不是指定端口也不是根端口，則置于阻塞狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)普通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。2.4STP根路徑開銷根路徑開銷是生成樹協(xié)議中用來判定到達(dá)根橋的距離的參數(shù)。STP在進(jìn)行根路徑開銷計算時，是將所接收BPDU中的根路徑開銷值加上自己接收端口的鏈路開銷值。對根橋來說，其根路徑開銷為0；對非根橋來說，根路徑開銷為到達(dá)根橋的最短路徑上所有路徑開銷的和。2.5STP橋ID的作用當(dāng)一個非根橋上有多個端口經(jīng)過不同的上游橋到達(dá)根橋。且這些路徑的根路徑開銷相同時，STP協(xié)議會比較各端口的上游指定橋ID，所連接到上游指定橋ID最小的端口被選舉為根端口。當(dāng)一個物理段有多個網(wǎng)橋到根橋的路徑開銷相同．進(jìn)行指定橋選舉時，也比較這此網(wǎng)橋的橋ID。橋ID最小的橋被選舉為指定橋，指定橋上的端口為指定端口。因為橋ID是唯一的，所以通過比較橋ID可以對經(jīng)過多個橋到達(dá)根橋的路徑好壞進(jìn)行最終判定。2.6STP端口ID的作用在根路徑開銷和上游指定橋ID都相同的情況下，生成樹協(xié)議根據(jù)端口ID來決定端口角色。如果非根橋上多個端口經(jīng)過相同的上游橋到達(dá)根，且根路徑開銷相同，則協(xié)議會比較端口所連上游橋的端口ID，所連接到上游指定端口ID最小的端口被選舉為根端口。端口ID由端口索引號和端口優(yōu)先級兩部分組成。在進(jìn)行比較時，先比較端口優(yōu)先級，優(yōu)先級小的端口優(yōu)先；在優(yōu)先級相同時，再比較端口索引號，索引號小的端口優(yōu)先。第三章3BPDU的組成以及生成樹算法的實現(xiàn)過程BPDU也被稱作配置消息，它主要包含四個方面的內(nèi)容：即橋接網(wǎng)絡(luò)中的根橋序列號，從指定網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋的最短路徑，指定網(wǎng)橋序列號和指定端口序列號四項內(nèi)容。生成樹的計算就是網(wǎng)橋之間通過傳遞這四個方面的內(nèi)容來實現(xiàn)的。在實際傳輸過程中，我們可以用矢量形式來表達(dá)每個網(wǎng)橋所發(fā)送的配置消息。初始階段每個網(wǎng)橋只知道自身的存在，所以每個網(wǎng)橋自認(rèn)為自己是根橋并發(fā)送配置信息。當(dāng)網(wǎng)橋收到來自其他網(wǎng)橋發(fā)送的配置消息時，它就會把收到的配置消息和自身發(fā)送的配置信息進(jìn)行對比，看看哪個配置消息的優(yōu)先級最高，最后該網(wǎng)橋用對比后優(yōu)先級最高的配置消息替代自己的配置消息，并且完成下列的其他工作：（1）推舉根網(wǎng)橋RootID：RootID值為最小將成為最終的RootID；（2）到根橋的最短路徑花費RootPathCost：如果網(wǎng)橋是根網(wǎng)橋，則最短路徑開銷為0，否則最短路徑開銷就是最優(yōu)配置消息中的路徑開銷加上接收端口對應(yīng)鏈路的路徑開銷；（3）選擇根端口RootPort：網(wǎng)橋各個端口中到根橋路徑開銷最短的那個端口就是根端口，如果對應(yīng)最短路徑開銷的端口不止一個，則對應(yīng)收到的BPDU消息中DesignatedBridgelD號最小的端口將成為根端口，如果還不能選出根端口，則對應(yīng)收到的BPDU消息中DesignatedPortID號最小的端口將成為根端口；（4）選擇指定端口：網(wǎng)橋端口發(fā)送的BPDU配置消息的優(yōu)先級比較接收的BPDU配置消息優(yōu)先級高，這個端口就是指定端口。最后，新的配置消息被網(wǎng)橋從指定端口重新發(fā)送。第四章4STP對于網(wǎng)絡(luò)故障的處理4.1鏈路故障處理生成樹算法定義了一種定時器策略來解決網(wǎng)絡(luò)鏈路故障的問題，生存期的值被封裝在配置消息中，生存期為0的配置消息被根網(wǎng)橋通過自身所有端口按一定的周期發(fā)送出去，其他網(wǎng)橋收到配置消息后，把生存期為0的配置消息也從自身的指定端口發(fā)送出去。一旦生成樹的分支發(fā)生鏈路故障，則新鮮的配置消息就不會被故障鏈路下游的端口接收到，反而自身的配置消息的生存期值不斷增長，一直到無法增長，該網(wǎng)橋?qū)G棄這個超過極限的配置消息，新的生成樹計算從頭開始。在這個過程中使用hellotime表示定時發(fā)送的周期，使用messageage表示配置消息的生存期，使用maxage表示最大生存期。4.2臨時回路處理STP中定義了若干中間狀態(tài)來解決網(wǎng)絡(luò)中臨時回路的問題。在802.1D的協(xié)議中，端口有這樣幾種狀態(tài)：Disabled、Blocking、Listening、Learning、Forwarding。當(dāng)端口的狀態(tài)為根端口或者指定端口，原先的blocking狀態(tài)就會改變?yōu)閘istening的中間狀態(tài)；由于網(wǎng)絡(luò)延時forwarddelay的存在，端口狀態(tài)繼續(xù)變?yōu)閘earning狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)延時fovward-dely繼續(xù)疊加，端口狀態(tài)繼而變?yōu)閒orwarding狀態(tài)。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變導(dǎo)致原先端口不再是根端口或指定端口，端口狀態(tài)就會馬上變?yōu)閎locking狀態(tài)，并且不管端口處于何種狀態(tài)，當(dāng)端口變?yōu)榭捎没蛘卟豢捎脮r端口的狀態(tài)都會變?yōu)閐isabled狀態(tài)。端口狀態(tài)listening變?yōu)閘earning，或者端口狀態(tài)learning變?yōu)閒orwarding狀態(tài)，都要通過forwarddelay延時來實現(xiàn)，forwarddelay延時可以促使網(wǎng)絡(luò)中需要變?yōu)閎locking狀態(tài)的端口達(dá)到目的，從而解決了網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路產(chǎn)生的問題。4.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化后的處理生成樹中每個站點所處的位置會隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生變動，原來保存在網(wǎng)橋中的MAC地址信息就會變得錯誤重重，所以應(yīng)該給MAC地址信息定義一個生存期，在生存期內(nèi)不能證明MAC地址信息正確，則丟棄掉這些MAC地址信息。在STP中存在兩個生存期：較長的生存期在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定時使用、較短的生存期在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化時使用。并不是所有的網(wǎng)橋都能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，這就需要以報文的形式把拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的信息告知到每一個網(wǎng)橋。在STP中有三種報文被用來標(biāo)識拓?fù)涓淖儯和負(fù)涓淖兺ㄖⅲ負(fù)涓淖儜?yīng)答消息，拓?fù)涓淖兿?。?dāng)有網(wǎng)橋發(fā)現(xiàn)拓?fù)涓淖?，就會把拓?fù)涓淖兺ㄖ⒁詇ellotime為周期定時從根端口向根網(wǎng)橋的方向發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)中的其余非根網(wǎng)橋也同樣要向根橋的方向發(fā)送這個通知消息。非根網(wǎng)橋會響應(yīng)一個拓?fù)涓淖儜?yīng)答消息，當(dāng)網(wǎng)橋收到應(yīng)答消息后就停止發(fā)送通知消息。應(yīng)答消息用一個拓?fù)涓淖儜?yīng)答標(biāo)志位來標(biāo)識，它通常被攜帶在網(wǎng)橋發(fā)送的下一個配置消息中。拓?fù)涓淖儽桓W(wǎng)橋自行發(fā)現(xiàn)或者通過拓?fù)涓淖兺ㄖl(fā)現(xiàn)，就會在一定時間內(nèi)，把拓?fù)涓淖兊臉?biāo)志位攜帶在向其他網(wǎng)橋發(fā)送的配置消息中，網(wǎng)橋收到這個消息后較短的生存期將會應(yīng)用到該網(wǎng)橋的地址表項，直到拓?fù)涓淖兊臉?biāo)志位不再出現(xiàn)。結(jié)論STP可以消除路徑環(huán)路對網(wǎng)絡(luò)的影響，相比STP，RSTP具有更快的收斂速度。MSTP可以支持多生成樹實例以實現(xiàn)基于VLAN的負(fù)載分擔(dān)。在實際的應(yīng)用中，STP也有很多不足之處。最主要的缺點是端口從阻塞狀態(tài)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)需要兩倍的時延．導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連通性至少要幾十秒的時間之后才能恢復(fù)。如果網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，網(wǎng)絡(luò)會頻繁失去連通險，為了在拓?fù)渥兓缶W(wǎng)絡(luò)盡決恢復(fù)連通性，交換機在STP的基礎(chǔ)上發(fā)展出RSTP和MSTP。RSTP減小了端口從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)的時延，盡可能快地恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性，提供更好的用戶服務(wù)。MS