項(xiàng)目三 局域網(wǎng)冗余備份技術(shù)

《網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置與管理項(xiàng)目教程》高等職業(yè)技術(shù)教育計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)目錄項(xiàng)目三局域網(wǎng)冗余備份技術(shù)任務(wù)一STP協(xié)議配置RSTP協(xié)議配置HSRP協(xié)議配置任務(wù)二任務(wù)三教學(xué)目標(biāo)、知識(shí)點(diǎn)：1．了解生成樹(shù)協(xié)議及其環(huán)路形成原因。2．理解生成樹(shù)協(xié)議工作原理。3．掌握生成樹(shù)協(xié)議配置方法。項(xiàng)目三局域網(wǎng)冗余備份技術(shù)任務(wù)一STP協(xié)議配置3.1任務(wù)陳述3.2知識(shí)點(diǎn)3.2.1生成樹(shù)STP協(xié)議概述3.2.2二層環(huán)路問(wèn)題的產(chǎn)生3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念3.3任務(wù)實(shí)施任務(wù)一STP協(xié)議配置3.1任務(wù)陳述

小李是公司的網(wǎng)絡(luò)工程師，隨著公司業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，公司的業(yè)務(wù)越來(lái)越離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，為了保證網(wǎng)絡(luò)可靠與穩(wěn)定，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障，公司網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備采用冗余鏈路，配置生成樹(shù)SPT協(xié)議，來(lái)形成雙核心備份網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，冗余鏈路可能會(huì)造成交換機(jī)之間形成物理環(huán)路，從而引發(fā)廣播風(fēng)暴，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，那么做為公司的網(wǎng)絡(luò)工程師，小李將如何實(shí)現(xiàn)公司網(wǎng)絡(luò)冗余備份呢？3.2知識(shí)點(diǎn)3.2.1生成樹(shù)STP協(xié)議概述在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過(guò)單條鏈路進(jìn)行連接通信，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的交換機(jī)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的互連，如果交換機(jī)之間僅使用一條鏈路互連，則可能會(huì)出現(xiàn)單點(diǎn)故障，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，為了解決此類(lèi)問(wèn)題，交換機(jī)在互連時(shí)一般都會(huì)使用冗余鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)備份，冗余鏈路雖然增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但是也會(huì)產(chǎn)生環(huán)路，而環(huán)路會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，并可能導(dǎo)致廣播以及MAC地址表不穩(wěn)定等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，給交換網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響到用戶的使用，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降和通信業(yè)務(wù)中斷等問(wèn)題，如圖3.1所示。3.2.1生成樹(shù)STP協(xié)議概述圖3.1二層冗余交換網(wǎng)絡(luò)3.2.1生成樹(shù)STP協(xié)議概述生成樹(shù)協(xié)議（SpanningTreeProtocol，STP），是基于RadiaPerlman在DEC工作時(shí)發(fā)明的一種算法被納入了IEEE802.1d中，2001年IEEE組織推出了快速生成樹(shù)協(xié)議(RSTP)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)其比STP更快的收斂網(wǎng)絡(luò)，還引進(jìn)了端口角色來(lái)完善了收斂機(jī)制，被納入在IEEE802.1w中，它工作在OSI網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)的通信協(xié)議，基本應(yīng)用是防止交換機(jī)冗余鏈路產(chǎn)生的環(huán)路，用于確保以太網(wǎng)中無(wú)環(huán)路的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而避免了廣播風(fēng)暴，大量占用交換機(jī)的資源，它通過(guò)有選擇地阻塞網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路來(lái)達(dá)到消除網(wǎng)絡(luò)二層環(huán)路地目的，同時(shí)具備鏈路地備份功能。生成樹(shù)協(xié)議的主要功能有兩個(gè)：一是在利用生成樹(shù)算法、在以太網(wǎng)絡(luò)中，創(chuàng)建一個(gè)以某臺(tái)交換機(jī)的某個(gè)端口為根的生成樹(shù)，避免環(huán)路。二是在以太網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，通過(guò)生成樹(shù)協(xié)議達(dá)到收斂保護(hù)的目的。生成樹(shù)協(xié)議工作原理：任意一臺(tái)交換機(jī)中如果到達(dá)根網(wǎng)橋有兩條或者兩條以上的鏈路，生成樹(shù)協(xié)議都根據(jù)算法把其中一條切斷，僅保留一條，從而保證任意兩個(gè)交換機(jī)之間只有一條單一的活動(dòng)鏈路，因?yàn)檫@種生成的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，很像是以根交換機(jī)為樹(shù)干的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，故為生成樹(shù)協(xié)議。3.2.1生成樹(shù)STP協(xié)議概述生成樹(shù)協(xié)議特點(diǎn)：（1）生成樹(shù)協(xié)議提供一種控制環(huán)路的方法。采用這種方法，在連接發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，你控制的以太網(wǎng)能夠繞過(guò)出現(xiàn)故障的連接。（2）生成樹(shù)中的根橋是一個(gè)邏輯的中心，并且監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。最好不要依靠設(shè)備的自動(dòng)選擇去挑選哪一個(gè)網(wǎng)橋會(huì)成為根橋。（3）生成樹(shù)協(xié)議重新計(jì)算是繁冗的。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置主機(jī)連接端口(這樣就不會(huì)引起重新計(jì)算)，推薦使用快速生成樹(shù)協(xié)議。（4）生成樹(shù)協(xié)議可以有效的抑制廣播風(fēng)暴。開(kāi)啟生成樹(shù)協(xié)議后抑制廣播風(fēng)暴，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)更加穩(wěn)定，可靠性、安全性會(huì)大大增強(qiáng)。3.2.2二層環(huán)路問(wèn)題的產(chǎn)生1.廣播風(fēng)暴根據(jù)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)原則，默認(rèn)情況下，交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中生成的廣播幀不進(jìn)行過(guò)濾，如果交換機(jī)從一個(gè)端口上接收到的是一個(gè)廣播幀，或者是一個(gè)目的MAC地址未知的單播幀，則會(huì)將這個(gè)幀向除源端口之外的所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。如果交換網(wǎng)絡(luò)中有環(huán)路，則這個(gè)幀會(huì)被無(wú)限轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)便會(huì)形成廣播風(fēng)暴，網(wǎng)絡(luò)中也會(huì)充斥著重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。如圖3.2所示，主機(jī)PC1向外發(fā)送了一個(gè)單播幀，假設(shè)此單播幀的目的MAC地址在網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)的MAC地址表中都暫時(shí)不存在。SW1接收到此幀后，將其轉(zhuǎn)發(fā)到SW2和SW3，SW2和SW3也會(huì)將此幀轉(zhuǎn)發(fā)到除了接收此幀的其他所有端口，結(jié)果此幀又會(huì)被再次轉(zhuǎn)發(fā)給SW1，這種循環(huán)會(huì)一直持續(xù)，于是便產(chǎn)生了廣播風(fēng)暴，交換機(jī)性能會(huì)因此急速下降，并會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。3.2.2二層環(huán)路問(wèn)題的產(chǎn)生1.廣播風(fēng)暴3.2.2二層環(huán)路問(wèn)題的產(chǎn)生2.MAC地址表不穩(wěn)定MAC地址表不穩(wěn)定是指一個(gè)相同幀的副本在一臺(tái)交換機(jī)的兩個(gè)不同端口被接收引起的，會(huì)造成設(shè)備反復(fù)刷新MAC地址表，如果交換機(jī)將資源都消耗在復(fù)制不穩(wěn)定的MAC地址表上，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能就會(huì)被減弱，如圖3.3所示。交換機(jī)是根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)幀的源地址和接收端口生成MAC地址表項(xiàng)的。當(dāng)主機(jī)PC1向外發(fā)送一個(gè)單播幀，假設(shè)此單播幀的目的MAC地址在網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)的MAC地址表中都暫時(shí)不存在。SW1收到此數(shù)據(jù)幀之后，在MAC地址表中生成一個(gè)MAC地址表項(xiàng)：54-89-98-16-4B-A1，對(duì)應(yīng)端口為GE0/0/3，并將其從GE0/0/1和GE0/0/2端口轉(zhuǎn)發(fā)。此例僅以SW1從E0/0/2端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)SW3接收到此幀后，由于MAC地址表中沒(méi)有對(duì)應(yīng)此幀目的MAC地址的表項(xiàng)，所以SW3會(huì)將此幀從GE0/0/2轉(zhuǎn)發(fā)出去。SW2接收到此幀后，由于MAC地址表中也沒(méi)有對(duì)應(yīng)此幀目的MAC地址的表項(xiàng)，所以SW2會(huì)將此幀從GE0/0/1端口發(fā)送回SW1，也會(huì)發(fā)給主機(jī)PC2。SW1從GE0/0/1接口接收到此數(shù)據(jù)幀之后，會(huì)在MAC地址表中刪除原有的相關(guān)表項(xiàng)，生成一個(gè)新的MAC表項(xiàng):54-89-98-16-4B-A1，對(duì)應(yīng)端口為GE0/0/1。此過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)，從而導(dǎo)致MAC地址表震蕩。3.2.2二層環(huán)路問(wèn)題的產(chǎn)生2.MAC地址表不穩(wěn)定3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念在以太網(wǎng)中，二層網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路會(huì)帶來(lái)廣播風(fēng)暴，MAC地址表不穩(wěn)定，重復(fù)數(shù)據(jù)幀等問(wèn)題，為解決交換網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問(wèn)題，提出了生成樹(shù)協(xié)議。生成樹(shù)協(xié)議（SpanningTreeProtocol，STP）是根據(jù)IEEE802.1D標(biāo)準(zhǔn)建立的，用于在局域網(wǎng)中消除數(shù)據(jù)鏈路層物理環(huán)路的協(xié)議。運(yùn)行該協(xié)議的設(shè)備通過(guò)彼此交互信息發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，并有選擇的對(duì)某些端口進(jìn)行阻塞，最終將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修剪成無(wú)環(huán)路的樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而防止報(bào)文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中不斷增生和無(wú)限循環(huán)，避免設(shè)備由于重復(fù)接收相同的報(bào)文所造成的報(bào)文處理能力下降的問(wèn)題發(fā)生。STP采用的協(xié)議報(bào)文是BPDU（BridgeProtocolDataUnit，橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元），也稱為配置消息，是一種生成樹(shù)協(xié)議問(wèn)候數(shù)據(jù)包，它可以配置的間隔發(fā)出，用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋間進(jìn)行信息交換。BPDU是運(yùn)行STP的交換機(jī)之間交換的消息幀。BPDU內(nèi)包含了STP所需的路徑和優(yōu)先級(jí)信息，STP便利用這些信息來(lái)確定根橋以及到根橋的路徑。BPDU中包含了足夠的信息來(lái)保證設(shè)備完成生成樹(shù)的計(jì)算過(guò)程。STP即是通過(guò)在設(shè)備之間傳遞BPDU來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念生成樹(shù)協(xié)議的主要作用：（1）消除環(huán)路：通過(guò)阻斷冗余鏈路來(lái)消除網(wǎng)絡(luò)中可能存在的環(huán)路。（2）鏈路備份：當(dāng)活動(dòng)路徑發(fā)生故障時(shí)，激活備份鏈路，及時(shí)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性。由于生成樹(shù)協(xié)議本身比較小，所以并不像路由協(xié)議那樣廣為人知。但是它卻掌管著端口的轉(zhuǎn)發(fā)大全。特別是和別的協(xié)議一起運(yùn)行的時(shí)候，生成樹(shù)協(xié)議就有可能阻斷其他協(xié)議地報(bào)文通路，造成種種地奇怪現(xiàn)象。生成樹(shù)協(xié)議和其它協(xié)議一樣，時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代的。在生成樹(shù)協(xié)議發(fā)展過(guò)程中，老的缺陷不斷被克服，新的特性不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。STP的工作過(guò)程如下：首先進(jìn)行根網(wǎng)橋的選舉，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里邊擁有最低橋ID的將變成一個(gè)根橋，全部的生成樹(shù)網(wǎng)絡(luò)里面只有一個(gè)根橋，根橋的主要職責(zé)是定期發(fā)送配置信息，然后這種配置信息將會(huì)被所有的指定橋發(fā)送，這在生成樹(shù)網(wǎng)絡(luò)里面是一種機(jī)制，一旦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)將會(huì)重新配置，其依據(jù)是網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)（BridgePriority）和MAC地址組合生成的橋ID，橋ID最小的網(wǎng)橋?qū)⒊蔀榫W(wǎng)絡(luò)中的根橋（BridgeRoot）。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)到根橋的距離，并由這些路徑得到各冗余鏈路的代價(jià)，選擇最小的成為通信路徑（相應(yīng)的端口狀態(tài)變?yōu)镕orwRding），其它的就成為備份路徑(相應(yīng)的端口狀態(tài)變?yōu)锽locking)。STP生成過(guò)程中的通信任務(wù)由BPDU完成，BPDU幀用于交換機(jī)之間傳遞信息幀，每2秒發(fā)送一次報(bào)文，這種數(shù)據(jù)包又分為包含配置信息的配置BPDU（其大小不超過(guò)35B）和包含拓?fù)渥兓畔⒌耐ㄖ狟PDU（其長(zhǎng)度不超過(guò)4B）。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念1.橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BridgeProtocolDataUnit，BPDU)生成樹(shù)協(xié)議是一種橋嵌套協(xié)議，在IEEE802.1d規(guī)范里定義，可以用來(lái)消除橋回路。它的工作原理是這樣的：生成樹(shù)協(xié)議定義了一個(gè)數(shù)據(jù)包，叫做橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU，網(wǎng)橋用BPDU來(lái)相互通信，并用BPDU的相關(guān)機(jī)能來(lái)動(dòng)態(tài)選擇根橋和備份橋，但是因?yàn)閺闹行臉虻饺魏尉W(wǎng)段只有一個(gè)路徑存在，所以橋回路被消除。要實(shí)現(xiàn)生成樹(shù)的功能，交換機(jī)之間傳遞BPDU報(bào)文實(shí)現(xiàn)信息交互，所有支持STP協(xié)議的交換機(jī)都會(huì)接收并處理收到的報(bào)文，該報(bào)文在數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹(shù)計(jì)算的所有有用信息。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)橋開(kāi)始變?yōu)榛顒?dòng)時(shí)，它的每個(gè)端口都是每2s發(fā)送一個(gè)BPDU。然而，如果一個(gè)端口收到另外一個(gè)網(wǎng)橋發(fā)送過(guò)來(lái)的BPDU，而這個(gè)BPDU比它正在發(fā)送的BPDU更優(yōu)，則本地端口會(huì)停止發(fā)送BPDU。如果在一段時(shí)間（缺省為20s）后它不再接收到鄰居的更優(yōu)的BPDU，則本地端口會(huì)再次發(fā)送BPDU。2.橋ID網(wǎng)橋ID共8個(gè)字節(jié)，網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)（2字節(jié)）+網(wǎng)橋的MAC地址（6字節(jié)）；取值范圍：0~65535，缺省值：32768。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念3.根橋根據(jù)網(wǎng)橋ID選擇根網(wǎng)橋，網(wǎng)橋ID最小的將成為根網(wǎng)橋，先比較網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)較小者稱為根橋，如果優(yōu)先級(jí)相等，則比較MAC地址，MAC地址較小者稱為根橋，可以通過(guò)Displaystp來(lái)查看網(wǎng)絡(luò)中的根橋。交換機(jī)啟動(dòng)后就自動(dòng)開(kāi)始進(jìn)行生成樹(shù)收斂計(jì)算。默認(rèn)情況下，所有交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)都認(rèn)為自己是根橋，自己的所有端口都為指定端口，這樣BPDU報(bào)文就可以通過(guò)所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)端交換機(jī)收到BPDU報(bào)文后，會(huì)比較BPDU中的根橋ID和自己的橋ID。如果收到的BPDU報(bào)文中的橋ID優(yōu)先級(jí)低，接收交換機(jī)會(huì)繼續(xù)通告自己的配置BPDU報(bào)文給鄰居交換機(jī)。如果收到的BPDU報(bào)文中的橋ID優(yōu)先級(jí)高，則交換機(jī)會(huì)修改自己的BPDU報(bào)文的根橋ID字段，宣告新的根橋。如圖3.4所示，由于交換機(jī)默認(rèn)優(yōu)先級(jí)均為32768，交換機(jī)SW1的MAC地址最小，經(jīng)過(guò)BPDU報(bào)文信息最終選舉交換機(jī)SW1為根交換機(jī)，如果生成樹(shù)網(wǎng)絡(luò)里面根橋發(fā)生了故障，則其它交換機(jī)中優(yōu)先級(jí)最高的交換機(jī)會(huì)被選舉為新的根橋，如果原來(lái)根橋再次激活，則網(wǎng)絡(luò)又會(huì)根據(jù)BID來(lái)重新選舉新的根橋。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念3.根橋3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念4.

端口ID運(yùn)行STP交換機(jī)的每個(gè)端口都有一個(gè)端口ID，端口ID由端口優(yōu)先級(jí)和端口號(hào)構(gòu)成。端口優(yōu)先級(jí)取值范圍是0到240，步長(zhǎng)為16，即取值必須為16的整數(shù)倍。缺省情況下，端口優(yōu)先級(jí)是128。端口ID（PortID)可以用來(lái)確定端口角色。5.端口開(kāi)銷(xiāo)與路徑開(kāi)銷(xiāo)交換機(jī)的每個(gè)端口都有一個(gè)端口開(kāi)銷(xiāo)（PortCost）參數(shù)，此參數(shù)表示該端口在STP中的開(kāi)銷(xiāo)值。默認(rèn)情況下端口的開(kāi)銷(xiāo)和端口的帶寬有關(guān)，帶寬越高，開(kāi)銷(xiāo)越小。從一個(gè)非根橋到達(dá)根橋的路徑可能有多條，每一條路徑都有一個(gè)總的開(kāi)銷(xiāo)值，此開(kāi)銷(xiāo)值是該路徑上所有接收BPDU端口的端口開(kāi)銷(xiāo)總和（即BPDU的入方向端口），稱為路徑開(kāi)銷(xiāo)。非根橋通過(guò)對(duì)比多條路徑的路徑開(kāi)銷(xiāo)，選出到達(dá)根橋的最短路徑，這條最短路徑的路徑開(kāi)銷(xiāo)被稱為RPC（RootPathCost，根路徑開(kāi)銷(xiāo)），并生成無(wú)環(huán)樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，根橋的根路徑開(kāi)銷(xiāo)是0。一般情況下，交換機(jī)支持多種STP的路徑開(kāi)銷(xiāo)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，提供最大程度的兼容性。缺省情況下，華為X7系列交換機(jī)使用IEEE802.1t標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算路徑開(kāi)銷(xiāo)，根路徑開(kāi)銷(xiāo)是到根橋的路徑的總開(kāi)銷(xiāo)，而端口開(kāi)銷(xiāo)指的是交換機(jī)某個(gè)端口的開(kāi)銷(xiāo)。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念6.端口角色STP通過(guò)構(gòu)造一棵樹(shù)來(lái)消除交換網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路。每個(gè)STP網(wǎng)絡(luò)中，都會(huì)存在一個(gè)根橋，其他交換機(jī)為非根橋。根橋或者根交換機(jī)位于整個(gè)邏輯樹(shù)的根部，是STP網(wǎng)絡(luò)的邏輯中心，非根橋是根橋的下游設(shè)備。當(dāng)現(xiàn)有根橋產(chǎn)生故障時(shí)，非根橋之間會(huì)交互信息并重新選舉根橋，交互的這種信息被稱為BPDU，BPDU中包含交換機(jī)在參加生成樹(shù)計(jì)算時(shí)的各種參數(shù)信息，前面已經(jīng)詳細(xì)介紹。STP中定義了三種端口角色：根端口（RootPort），指定端口（DesignatedPort）和替代端口（AlternatePort）。（1）根端口（RootPort）。每個(gè)非根橋都要選舉一個(gè)根端口。根端口是距離根橋最近的端口，這個(gè)最近的衡量標(biāo)準(zhǔn)是靠路徑開(kāi)銷(xiāo)來(lái)判定的，即路徑開(kāi)銷(xiāo)最小的端口就是根端口。端口收到一個(gè)BPDU報(bào)文后，抽取該BPDU報(bào)文中根路徑開(kāi)銷(xiāo)字段的值，加上該端口本身的端口開(kāi)銷(xiāo)即為本端口路徑開(kāi)銷(xiāo)。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的端口計(jì)算得到的累計(jì)路徑開(kāi)銷(xiāo)相同，那么選擇收到發(fā)送者BID最小的那個(gè)端口作為根端口。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的端口連接到同一臺(tái)交換機(jī)上，則選擇發(fā)送者PID最小的那個(gè)端口作為根端口。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的端口通過(guò)Hub連接到同一臺(tái)交換機(jī)的同一個(gè)接口上，則選擇本交換機(jī)的這些端口中的PID最小的作為根端口。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念根端口是非根交換機(jī)去往根橋路徑最優(yōu)的端口，處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。在一個(gè)運(yùn)行STP協(xié)議的交換機(jī)上最多只有一個(gè)根端口，但根橋上沒(méi)有根端口。選舉根端口的依據(jù)順序如下。1）根路徑成本最小。2）發(fā)送網(wǎng)橋ID最小。3）發(fā)送端口ID最小。（2）指定端口（DesignatedPort）。在網(wǎng)段上抑制其他端口（無(wú)論是自己的還是其他設(shè)備的）發(fā)送BPDU報(bào)文的端口，就是該網(wǎng)段的指定端口。每個(gè)網(wǎng)段都應(yīng)該有一個(gè)指定端口，根橋的所有端口都是指定端口（除非根橋在物理上存在環(huán)路）。指定端口的選舉也是首先比較累計(jì)路徑開(kāi)銷(xiāo)，累計(jì)路徑開(kāi)銷(xiāo)最小的端口就是指定端口。如果累計(jì)路徑開(kāi)銷(xiāo)相同，則比較端口所在交換機(jī)的橋ID，所在橋ID最小的端口被選舉為指定端口。如果通過(guò)累計(jì)路徑開(kāi)銷(xiāo)和所在橋ID選舉不出來(lái)，則比較端口ID，端口ID最小的被選舉為指定端口。網(wǎng)絡(luò)收斂后，只有指定端口和根端口可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。其他端口為預(yù)備端口，被阻塞，不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，只能夠從所連網(wǎng)段的指定交換機(jī)接收到BPDU報(bào)文，并以此來(lái)監(jiān)視鏈路的狀態(tài)。指定端口是交換機(jī)向所連網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)配置BPDU的端口，每個(gè)網(wǎng)段有且只能有一個(gè)指定端口，轉(zhuǎn)發(fā)所連接網(wǎng)段數(shù)據(jù)。一般情況下，根橋的每個(gè)端口總是指定端口。選舉指定端口的依據(jù)順序如下。1）根路徑成本最小。2）所在交換機(jī)的網(wǎng)橋ID最小。3）發(fā)送端口ID最小。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念（3）替代端口（AlternatePort）。如果一個(gè)端口既不是指定端口也不是根端口，則此端口為替代端口，替代端口將被阻塞，不向所連接網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)。只有當(dāng)主鏈路故障時(shí)，才會(huì)啟用備份鏈路，開(kāi)啟替代端口，替代根端口，以保障網(wǎng)絡(luò)正常通信。由于交換機(jī)SW1為根交換機(jī)，所以交換機(jī)SW1的端口GE0/0/1與端口GE0/0/2被選舉為指定端口，交換機(jī)SW2的端口GE0/0/1被選舉為根端口，端口GE0/0/2被選舉為指定端口，交換機(jī)SW3的端口GE0/0/1被選舉為根端口，端口GE0/0/2被選舉為預(yù)備端口，交換機(jī)SW2與交換機(jī)SW3之間這條鏈路邏輯上處于斷開(kāi)狀態(tài)，這樣就將交換環(huán)路變成了邏輯上的無(wú)環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果主鏈路發(fā)生故障時(shí)，才會(huì)啟用備份鏈路，如圖3.5所示。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念7.端口狀態(tài)STP端口狀態(tài)有五種工作狀態(tài)，具體情況如下：Blocking（阻塞狀態(tài)）：此時(shí)，二層端口為非指定端口，也不會(huì)參與數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。該端口通過(guò)接收BPDU來(lái)判斷根交換機(jī)的位置和根ID，以及在STP拓?fù)涫諗拷Y(jié)束之后，各交換機(jī)端口應(yīng)該處于什么狀態(tài)，在默認(rèn)情況下，端口會(huì)在這種狀態(tài)下停留20秒鐘時(shí)間。Listening（偵聽(tīng)狀態(tài)）：生成樹(shù)此時(shí)已經(jīng)根據(jù)交換機(jī)所接收到的BPDU而判斷出了這個(gè)端口應(yīng)該參與數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。于是交換機(jī)端口就將不再滿足于接收BPDU，而同時(shí)也開(kāi)始發(fā)送自己的BPDU，并以此通告鄰接的交換機(jī)該端口會(huì)在活動(dòng)拓?fù)渲袇⑴c轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的工作。在默認(rèn)情況下，該端口會(huì)在這種狀態(tài)下停留15秒鐘的時(shí)間。LeRning(學(xué)習(xí)狀態(tài))：這個(gè)二層端口準(zhǔn)備參與數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，并開(kāi)始填寫(xiě)MAC表。在默認(rèn)情況下，端口會(huì)在這種狀態(tài)下停留15秒鐘時(shí)間。ForwRding（轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)）：這個(gè)二層端口已經(jīng)成為了活動(dòng)拓?fù)涞囊粋€(gè)組成部分，它會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，并同時(shí)收發(fā)BPDU。Disabled（禁用狀態(tài)）：這個(gè)二層端口不會(huì)參與生成樹(shù)，也不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念STP端口功能描述，如表3.2所示。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念8.STP拓?fù)渥兓诜€(wěn)定的STP拓?fù)淅?，非根橋?huì)定期收到來(lái)自根橋的BPDU報(bào)文。如果根橋發(fā)生了故障，停止發(fā)送BPDU報(bào)文，下游交換機(jī)就無(wú)法收到來(lái)自根橋的BPDU報(bào)文。如果下游交換機(jī)一直收不到BPDU報(bào)文，MaxAge定時(shí)器就會(huì)超時(shí)（MaxAge的默認(rèn)值為20秒），從而導(dǎo)致已經(jīng)收到的BPDU報(bào)文失效，此時(shí)，非根交換機(jī)會(huì)互相發(fā)送配置BPDU報(bào)文，重新選舉新的根橋。根橋故障會(huì)導(dǎo)致50秒左右的恢復(fù)時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間約等于MaxAge加上兩倍的ForwRdDelay收斂時(shí)間。在交換網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)依賴MAC地址表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。缺省情況下，MAC地址表項(xiàng)的老化時(shí)間是300秒。如果生成樹(shù)拓?fù)浒l(fā)生變化，交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路徑也會(huì)隨著發(fā)生改變，此時(shí)MAC地址表中未及時(shí)老化掉的表項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤，因此在拓?fù)浒l(fā)生變化后需要及時(shí)更新MAC地址表項(xiàng)。拓?fù)渥兓^(guò)程中，根橋通過(guò)TCNBPDU報(bào)文獲知生成樹(shù)拓?fù)淅锇l(fā)生了故障。根橋生成TC用來(lái)通知其他交換機(jī)加速老化現(xiàn)有的MAC地址表項(xiàng)，如圖3.6所示。3.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念8.STP拓?fù)渥兓?.2.3生成樹(shù)STP協(xié)議基本概念8.STP拓?fù)渥兓負(fù)渥兏约癕AC地址表項(xiàng)更新的具體過(guò)程如下：（1）交換機(jī)SW3感知到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化后，會(huì)不間斷地向交換機(jī)SW2發(fā)送TCNBPDU報(bào)文。（2）交換機(jī)SW2收到交換機(jī)SW3發(fā)來(lái)的TCNBPDU報(bào)文后，會(huì)把配置BPDU報(bào)文中的Flags的TCA位設(shè)置1，然后發(fā)送給交換機(jī)SW3，告知交換機(jī)SW3停止發(fā)送TCNBPDU報(bào)文。（3）交換機(jī)SW2向根橋交換機(jī)SW1轉(zhuǎn)發(fā)TCNBPDU報(bào)文。（4）根橋交換機(jī)SW1把配置BPDU報(bào)文中的Flags的TC位設(shè)置為1后發(fā)送，通知下游設(shè)備把MAC地址表項(xiàng)的老化時(shí)間由默認(rèn)的300秒，修改為ForwRdDelay的時(shí)間（默認(rèn)為15秒）。（5）最多等待15秒之后，交換機(jī)SW3中的錯(cuò)誤MAC地址表項(xiàng)會(huì)被自動(dòng)清除。此后，交換機(jī)SW3就能重新開(kāi)始MAC表項(xiàng)的學(xué)習(xí)及轉(zhuǎn)發(fā)操作。3.3任務(wù)實(shí)施思科系列交換機(jī)支持2種STP模式。spanning-treemode{pvst|rapid-pvst}命令用來(lái)配置交換機(jī)的STP模式。默認(rèn)情況下，思科系列交換機(jī)工作在pvst模式下。配置STP，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接，如圖3.7所示，配置交換機(jī)SW1、SW2、SW3，并設(shè)置交換機(jī)SW1優(yōu)先級(jí)為4096，其他交換機(jī)進(jìn)行默認(rèn)配置。任務(wù)二RSTP協(xié)議配置3.1任務(wù)陳述3.2知識(shí)點(diǎn)3.2.1快速生成樹(shù)RSTP協(xié)議概述3.2.2快速生成樹(shù)RSTP協(xié)議基本概念3.3任務(wù)實(shí)施任務(wù)二RSTP協(xié)議配置3.1任務(wù)陳述小李是公司的網(wǎng)絡(luò)工程師，隨著公司業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，公司的業(yè)務(wù)越來(lái)越離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，為了保證網(wǎng)絡(luò)可靠與穩(wěn)定，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障，公司網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備采用冗余鏈路，配置生成樹(shù)SPT協(xié)議，來(lái)形成雙核心備份網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)。冗余鏈路可能會(huì)造成交換機(jī)之間形成物理環(huán)路，從而引發(fā)廣播風(fēng)暴，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后，做為公司的網(wǎng)絡(luò)工程師，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的收斂時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)，大約需要1分鐘左右的時(shí)間，于是工程師小李決定配置快速生成樹(shù)RSPT協(xié)議，來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)的收斂延時(shí)問(wèn)題，那么工程師小李將如何實(shí)現(xiàn)公司網(wǎng)絡(luò)冗余備份呢？3.2知識(shí)點(diǎn)3.2.1快速生成樹(shù)RSTP協(xié)議概述快速生成樹(shù)協(xié)議（RapidSpanningTreeProtocol，RSTP），STP協(xié)議由IEEE802.1D定義，RSTP由IEEE802.1W定義，RSTP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，能更快的收斂網(wǎng)絡(luò)。它比802.1D多了一種端口類(lèi)型：備份端口（BackupPort）類(lèi)型，用來(lái)做指定端口的備份。RSTP是從STP發(fā)展過(guò)來(lái)的，其實(shí)現(xiàn)基本思想一致，但它更進(jìn)一步的處理了網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)失去連通性的問(wèn)題。RSTP規(guī)定在某些情況下，處于Blocking狀態(tài)的端口不必經(jīng)歷2倍的ForwRdDelay時(shí)延而可以直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。如網(wǎng)絡(luò)邊緣端口（即直接與終端相連的端口），不接收配置BPDU報(bào)文，不參與RSTP運(yùn)算，可以由Disabled狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到ForwRding狀態(tài)，直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，不需要任何時(shí)延，如圖3.13所示，但是，一旦邊緣端口收到配置BPDU報(bào)文，就喪失了邊緣端口屬性，成為普通STP端口，并重新進(jìn)行生成樹(shù)計(jì)算，或者是網(wǎng)橋舊的根端口已經(jīng)進(jìn)入Blocking狀態(tài)，并且新的根端口所連接的對(duì)端網(wǎng)橋的指定端口仍處于ForwRding狀態(tài)，那么新的根端口可以立即進(jìn)入ForwRding狀態(tài)。802.1W規(guī)定快速生成樹(shù)協(xié)議RSTP，收斂速度可達(dá)到1s，而802.1D規(guī)定生成樹(shù)協(xié)議STP，收斂速度則需要大約50s。3.2.2快速生成樹(shù)RSTP協(xié)議基本概念STP能夠提供無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)，但是收斂速度較慢。如果STP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)隨之頻繁失去連通性，從而導(dǎo)致用戶通信頻繁中斷。RSTP使用了Proposal/Agreement機(jī)制保證鏈路及時(shí)協(xié)商，從而有效避免收斂計(jì)時(shí)器在生成樹(shù)收斂前超時(shí)。運(yùn)行RSTP的交換機(jī)使用了兩個(gè)不同的端口角色來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余備份。當(dāng)?shù)礁鶚虻漠?dāng)前路徑出現(xiàn)故障時(shí)，作為根端口的備份端口，Alternate端口提供了從一個(gè)交換機(jī)到根橋的另一條可切換路徑。Backup端口作為指定端口的備份，提供了另一條從根橋到相應(yīng)LAN網(wǎng)段的備份路徑。當(dāng)一個(gè)交換機(jī)和一個(gè)共享媒介設(shè)備例如Hub建立兩個(gè)或者多個(gè)連接時(shí)，可以使用Backup端口。同樣，當(dāng)交換機(jī)上兩個(gè)或者多個(gè)端口和同一個(gè)LAN網(wǎng)段連接時(shí)，也可以使用Backup端口，如圖3.14所示。3.2.2快速生成樹(shù)RSTP協(xié)議基本概念1.RSTP收斂過(guò)程RSTP收斂遵循STP基本原理。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所有的RSTP交換機(jī)都認(rèn)為自己是“根橋”，并設(shè)置每個(gè)端口為指定端口。此時(shí)，端口為DiscRding狀態(tài)。每個(gè)認(rèn)為自己是“根橋”的交換機(jī)生成一個(gè)RSTBPDU報(bào)文來(lái)協(xié)商指定。網(wǎng)段的端口狀態(tài)，此RSTBPDU報(bào)文的Flags字段里面的Proposal位需要置位。當(dāng)一個(gè)端口收到RSTBPDU報(bào)文時(shí)，此端口會(huì)比較收到的RSTBPDU報(bào)文和本地的RSTBPDU報(bào)文。如果本地的RSTBPDU報(bào)文優(yōu)于接收的RSTBPDU報(bào)文，則端口會(huì)丟棄接收的RSTBPDU報(bào)文，并發(fā)送Proposal置位的本地RSTBPDU報(bào)文來(lái)回復(fù)對(duì)端設(shè)備。交換機(jī)使用同步機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)端口角色協(xié)商管理。當(dāng)收到Proposal置位并且優(yōu)先級(jí)高的BPDU報(bào)文時(shí)，接收交換機(jī)必須設(shè)置所有下游指定端口為DiscRding狀態(tài)。如果下游端口是Alternate端口或者邊緣端口，則端口狀態(tài)保持不變。當(dāng)確認(rèn)下游指定端口遷移到DiscRding狀態(tài)后，設(shè)備發(fā)送RSTBPDU報(bào)文回復(fù)上游交換機(jī)發(fā)送的Proposal消息。在此過(guò)程中，端口已經(jīng)確認(rèn)為根端口，因此RSTBPDU報(bào)文Flags字段里面設(shè)置了Agreement標(biāo)記位和根端口角色。在P/A進(jìn)程的最后階段，上游交換機(jī)收到Agreement置位的RSTBPDU報(bào)文后，指定端口立即從DiscRding狀態(tài)遷移為ForwRding狀態(tài)。然后，下游網(wǎng)段開(kāi)始使用同樣的P/A進(jìn)程協(xié)商端口角色。在RSTP中，如果交換機(jī)的端口在連續(xù)3次HelloTimer規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有收到上游交換機(jī)發(fā)送的RSTBPDU，便會(huì)確認(rèn)本端口和對(duì)端端口的通信失敗，從而需要重新進(jìn)行RSTP的計(jì)算來(lái)確定交換機(jī)及端口角色。RSTP是可以與STP實(shí)現(xiàn)后向兼容的，但在實(shí)際中，并不推薦這樣的做法，原因是RSTP會(huì)失去其快速收斂的優(yōu)勢(shì)，而STP慢速收斂的缺點(diǎn)會(huì)暴露出來(lái)。當(dāng)同一個(gè)網(wǎng)段里既有運(yùn)行STP的交換機(jī)又有運(yùn)行RSTP的交換機(jī)時(shí)，STP交換機(jī)會(huì)忽略接收到的RSTBPDU，而RSTP交換機(jī)在某端口上接收到STPBPDU時(shí)，會(huì)等待兩個(gè)HelloTime時(shí)間之后，把自己的端口轉(zhuǎn)換到STP工作模式，此后便發(fā)送STPBPDU，這樣就實(shí)現(xiàn)了兼容性操作。3.2.2快速生成樹(shù)RSTP協(xié)議基本概念2.端口角色RSTP根據(jù)端口