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《網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)項目教程》高等職業(yè)技術(shù)教育計算機(jī)相關(guān)專業(yè)目錄項目三局域網(wǎng)冗余技術(shù)任務(wù)3.1STP協(xié)議配置RSTP協(xié)議配置MSTP協(xié)議配置任務(wù)二任務(wù)3.3

教學(xué)目標(biāo):?了解生成樹協(xié)議及其環(huán)路形成的原因;?理解生成樹協(xié)議的工作原理以及基本概念;技能目標(biāo):?掌握生成樹協(xié)議STP的配置方法;?掌握快速生成樹協(xié)議RSTP的配置方法;?掌握多生成樹協(xié)議MSTP的配置方法。項目三局域網(wǎng)冗余技術(shù)素養(yǎng)目標(biāo):?通過講解冗余技術(shù)如何降低網(wǎng)絡(luò)故障帶來的風(fēng)險,教育學(xué)生認(rèn)識到網(wǎng)絡(luò)工程師的社會責(zé)任,即構(gòu)建穩(wěn)定可靠的信息基礎(chǔ)設(shè)施對國家安全、社會經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要性;?培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和求真務(wù)實的精神,理解冗余技術(shù)在提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、保障業(yè)務(wù)連續(xù)性方面的重要作用;?在解決冗余設(shè)計中的復(fù)雜問題時,強(qiáng)調(diào)合作解決問題的價值,以及在面對突發(fā)情況時快速響應(yīng)、高效協(xié)同的工作作風(fēng)。項目三局域網(wǎng)冗余技術(shù)任務(wù)3.1STP協(xié)議配置任務(wù)陳述知識準(zhǔn)備3.1.1生成樹STP協(xié)議概述3.1.2二層環(huán)路問題的產(chǎn)生3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念任務(wù)實施任務(wù)3.1STP協(xié)議配置任務(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)越來越離不開網(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SPT協(xié)議,來形成雙核心備份網(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,小李將如何實現(xiàn)公司網(wǎng)絡(luò)冗余備份呢?知識準(zhǔn)備3.1.1生成樹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,越來越多的交換機(jī)被用來實現(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,則可能會出現(xiàn)單點(diǎn)故障,導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷,為了解決此類問題,交換機(jī)在互連時一般都會使用冗余鏈路來實現(xiàn)備份,冗余鏈路雖然增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性,但是也會產(chǎn)生環(huán)路,而環(huán)路會帶來一系列的問題,并可能導(dǎo)致廣播以及MAC地址表不穩(wěn)定等網(wǎng)絡(luò)問題,給交換網(wǎng)絡(luò)帶來環(huán)路的風(fēng)險,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)中斷等問題,如圖3.1所示。3.1.1生成樹STP協(xié)議概述3.1.1生成樹STP協(xié)議概述生成樹協(xié)議(SpanningTreeProtocol,STP),是基于RadiaPerlman在DEC工作時發(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協(xié)議(RSTP)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時其比STP更快的收斂網(wǎng)絡(luò),還引進(jìn)了端口角色來完善了收斂機(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,它通過有選擇地阻塞網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路來達(dá)到消除網(wǎng)絡(luò)二層環(huán)路地目的,同時具備鏈路地備份功能。生成樹協(xié)議的主要功能有兩個:一是在利用生成樹算法、在以太網(wǎng)絡(luò)中,創(chuàng)建一個以某臺交換機(jī)的某個端口為根的生成樹,避免環(huán)路。二是在以太網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時,通過生成樹協(xié)議達(dá)到收斂保護(hù)的目的。生成樹協(xié)議工作原理:任意一臺交換機(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,從而保證任意兩個交換機(jī)之間只有一條單一的活動鏈路,因為這種生成的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),很像是以根交換機(jī)為樹干的樹形結(jié)構(gòu),故為生成樹協(xié)議。3.1.1生成樹STP協(xié)議概述生成樹協(xié)議特點(diǎn):(1)生成樹協(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)生問題的時候,你控制的以太網(wǎng)能夠繞過出現(xiàn)故障的連接。(2)生成樹中的根橋是一個邏輯的中心,并且監(jiān)視整個網(wǎng)絡(luò)的通信。最好不要依靠設(shè)備的自動選擇去挑選哪一個網(wǎng)橋會成為根橋。(3)生成樹協(xié)議重新計算是繁冗的。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置主機(jī)連接端口(這樣就不會引起重新計算),推薦使用快速生成樹協(xié)議。(4)生成樹協(xié)議可以有效的抑制廣播風(fēng)暴。開啟生成樹協(xié)議后抑制廣播風(fēng)暴,網(wǎng)絡(luò)將會更加穩(wěn)定,可靠性、安全性會大大增強(qiáng)。3.1.2二層環(huán)路問題的產(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)對網(wǎng)絡(luò)中生成的廣播幀不進(jìn)行過濾,如果交換機(jī)從一個端口上接收到的是一個廣播幀,或者是一個目的MAC地址未知的單播幀,則會將這個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,則這個幀會被無限轉(zhuǎn)發(fā),此時便會形成廣播風(fēng)暴,網(wǎng)絡(luò)中也會充斥著重復(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地址表中都暫時不存在。LSW1接收到此幀后,將其轉(zhuǎn)發(fā)到LSW2和LSW3,LSW2和LSW3也會將此幀轉(zhuǎn)發(fā)到除了接收此幀的其他所有端口,結(jié)果此幀又會被再次轉(zhuǎn)發(fā)給LSW1,這種循環(huán)會一直持續(xù),于是便產(chǎn)生了廣播風(fēng)暴,交換機(jī)性能會因此急速下降,并會導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。3.1.2二層環(huán)路問題的產(chǎn)生1.廣播風(fēng)暴3.1.2二層環(huán)路問題的產(chǎn)生2.MAC地址表不穩(wěn)定MAC地址表不穩(wěn)定是指一個相同幀的副本在一臺交換機(jī)的兩個不同端口被接收引起的,會造成設(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地址表項的。當(dāng)主機(jī)PC1向外發(fā)送一個單播幀,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地址表中都暫時不存在。LSW1收到此數(shù)據(jù)幀之后,在MAC地址表中生成一個MAC地址表項:54-89-98-16-4B-A1,對應(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LSW1從E0/0/2端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀為例進(jìn)行說明。當(dāng)LSW3接收到此幀后,由于MAC地址表中沒有對應(yīng)此幀目的MAC地址的表項,所以LSW3會將此幀從GE0/0/2轉(zhuǎn)發(fā)出去。LSW2接收到此幀后,由于MAC地址表中也沒有對應(yīng)此幀目的MAC地址的表項,所以LSW2會將此幀從GE0/0/1端口發(fā)送回LSW1,也會發(fā)給主機(jī)PC2。LSW1從GE0/0/1接口接收到此數(shù)據(jù)幀之后,會在MAC地址表中刪除原有的相關(guān)表項,生成一個新的MAC表項:54-89-98-16-4B-A1,對應(yīng)端口為GE0/0/1。此過程會不斷重復(fù),從而導(dǎo)致MAC地址表震蕩。3.1.2二層環(huán)路問題的產(chǎn)生2.MAC地址表不穩(wěn)定3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念在以太網(wǎng)中,二層網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路會帶來廣播風(fēng)暴,MAC地址表不穩(wěn)定,重復(fù)數(shù)據(jù)幀等問題,為解決交換網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問題,提出了生成樹協(xié)議。生成樹協(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)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而防止報文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中不斷增生和無限循環(huán),避免設(shè)備由于重復(fù)接收相同的報文所造成的報文處理能力下降的問題發(fā)生。STP采用的協(xié)議報文是BPDU(BridgeProtocolDataUnit,橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元),也稱為配置消息,是一種生成樹協(xié)議問候數(shù)據(jù)包,它可以配置的間隔發(fā)出,用來在網(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)先級信息,STP便利用這些信息來確定根橋以及到根橋的路徑。BPDU中包含了足夠的信息來保證設(shè)備完成生成樹的計算過程。STP即是通過在設(shè)備之間傳遞BPDU來確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念生成樹協(xié)議的主要作用:(1)消除環(huán)路:通過阻斷冗余鏈路來消除網(wǎng)絡(luò)中可能存在的環(huán)路。(2)鏈路備份:當(dāng)活動路徑發(fā)生故障時,激活備份鏈路,及時恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性。由于生成樹協(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)行的時候,生成樹協(xié)議就有可能阻斷其他協(xié)議地報文通路,造成種種地奇怪現(xiàn)象。生成樹協(xié)議和其它協(xié)議一樣,時隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代的。在生成樹協(xié)議發(fā)展過程中,老的缺陷不斷被克服,新的特性不斷被開發(fā)出來。STP的工作過程如下:首先進(jìn)行根網(wǎng)橋的選舉,在一個網(wǎng)絡(luò)里邊擁有最低橋ID的將變成一個根橋,全部的生成樹網(wǎng)絡(luò)里面只有一個根橋,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被所有的指定橋發(fā)送,這在生成樹網(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)將會重新配置,其依據(jù)是網(wǎng)橋優(yōu)先級(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,計算每個節(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,選擇最小的成為通信路徑(相應(yīng)的端口狀態(tài)變?yōu)镕orwarding),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35B)和包含拓?fù)渥兓畔⒌耐ㄖ狟PDU(其長度不超過4B)。3.1.3生成樹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,可以用來消除橋回路。它的工作原理是這樣的:生成樹協(xié)議定義了一個數(shù)據(jù)包,叫做橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU,網(wǎng)橋用BPDU來相互通信,并用BPDU的相關(guān)機(jī)能來動態(tài)選擇根橋和備份橋,但是因為從中心橋到任何網(wǎng)段只有一個路徑存在,所以橋回路被消除。要實現(xiàn)生成樹的功能,交換機(jī)之間傳遞BPDU報文實現(xiàn)信息交互,所有支持STP協(xié)議的交換機(jī)都會接收并處理收到的報文,該報文在數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹計算的所有有用信息。當(dāng)一個網(wǎng)橋開始變?yōu)榛顒訒r,它的每個端口都是每2s發(fā)送一個BPDU。然而,如果一個端口收到另外一個網(wǎng)橋發(fā)送過來的BPDU,而這個BPDU比它正在發(fā)送的BPDU更優(yōu),則本地端口會停止發(fā)送BPDU。如果在一段時間(缺省為20s)后它不再接收到鄰居的更優(yōu)的BPDU,則本地端口會再次發(fā)送BPDU。2.橋ID網(wǎng)橋ID共8個字節(jié),網(wǎng)橋優(yōu)先級(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。3.1.3生成樹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,優(yōu)先級較小者稱為根橋,如果優(yōu)先級相等,則比較MAC地址,MAC地址較小者稱為根橋,可以通過Displaystp來查看網(wǎng)絡(luò)中的根橋。交換機(jī)啟動后就自動開始進(jìn)行生成樹收斂計算。默認(rèn)情況下,所有交換機(jī)啟動時都認(rèn)為自己是根橋,自己的所有端口都為指定端口,這樣BPDU報文就可以通過所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。對端交換機(jī)收到BPDU報文后,會比較BPDU中的根橋ID和自己的橋ID。如果收到的BPDU報文中的橋ID優(yōu)先級低,接收交換機(jī)會繼續(xù)通告自己的配置BPDU報文給鄰居交換機(jī)。如果收到的BPDU報文中的橋ID優(yōu)先級高,則交換機(jī)會修改自己的BPDU報文的根橋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)先級均為32768,交換機(jī)LSW1的MAC地址最小,經(jīng)過BPDU報文信息最終選舉交換機(jī)LSW1為根交換機(jī),如果生成樹網(wǎng)絡(luò)里面根橋發(fā)生了故障,則其它交換機(jī)中優(yōu)先級最高的交換機(jī)會被選舉為新的根橋,如果原來根橋再次激活,則網(wǎng)絡(luò)又會根據(jù)BID來重新選舉新的根橋。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念3.根橋3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念4.

端口ID運(yùn)行STP交換機(jī)的每個端口都有一個端口ID,端口ID由端口優(yōu)先級和端口號構(gòu)成。端口優(yōu)先級取值范圍是0到240,步長為16,即取值必須為16的整數(shù)倍。缺省情況下,端口優(yōu)先級是128。端口ID(PortID)可以用來確定端口角色。5.端口開銷與路徑開銷交換機(jī)的每個端口都有一個端口開銷(PortCost)參數(shù),此參數(shù)表示該端口在STP中的開銷值。默認(rèn)情況下端口的開銷和端口的帶寬有關(guān),帶寬越高,開銷越小。從一個非根橋到達(dá)根橋的路徑可能有多條,每一條路徑都有一個總的開銷值,此開銷值是該路徑上所有接收BPDU端口的端口開銷總和(即BPDU的入方向端口),稱為路徑開銷。非根橋通過對比多條路徑的路徑開銷,選出到達(dá)根橋的最短路徑,這條最短路徑的路徑開銷被稱為RPC(RootPathCost,根路徑開銷),并生成無環(huán)樹狀網(wǎng)絡(luò),根橋的根路徑開銷是0。一般情況下,交換機(jī)支持多種STP的路徑開銷計算標(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)來計算路徑開銷,根路徑開銷是到根橋的路徑的總開銷,而端口開銷指的是交換機(jī)某個端口的開銷。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念6.端口角色STP通過構(gòu)造一棵樹來消除交換網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路。每個STP網(wǎng)絡(luò)中,都會存在一個根橋,其他交換機(jī)為非根橋。根橋或者根交換機(jī)位于整個邏輯樹的根部,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,非根橋之間會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)在參加生成樹計算時的各種參數(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)。每個非根橋都要選舉一個根端口。根端口是距離根橋最近的端口,這個最近的衡量標(biāo)準(zhǔn)是靠路徑開銷來判定的,即路徑開銷最小的端口就是根端口。端口收到一個BPDU報文后,抽取該BPDU報文中根路徑開銷字段的值,加上該端口本身的端口開銷即為本端口路徑開銷。如果有兩個或兩個以上的端口計算得到的累計路徑開銷相同,那么選擇收到發(fā)送者BID最小的那個端口作為根端口。如果兩個或兩個以上的端口連接到同一臺交換機(jī)上,則選擇發(fā)送者PID最小的那個端口作為根端口。如果兩個或兩個以上的端口通過Hub連接到同一臺交換機(jī)的同一個接口上,則選擇本交換機(jī)的這些端口中的PID最小的作為根端口。3.1.3生成樹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)。在一個運(yùn)行STP協(xié)議的交換機(jī)上最多只有一個根端口,但根橋上沒有根端口。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(無論是自己的還是其他設(shè)備的)發(fā)送BPDU報文的端口,就是該網(wǎng)段的指定端口。每個網(wǎng)段都應(yīng)該有一個指定端口,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路徑開銷,累計路徑開銷最小的端口就是指定端口。如果累計路徑開銷相同,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。如果通過累計路徑開銷和所在橋ID選舉不出來,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報文,并以此來監(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,每個網(wǎng)段有且只能有一個指定端口,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。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念(3)替代端口(AlternatePort)。如果一個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,才會啟用備份鏈路,開啟替代端口,替代根端口,以保障網(wǎng)絡(luò)正常通信。由于交換機(jī)LSW1為根交換機(jī),所以交換機(jī)LSW1的端口GE0/0/1與端口GE0/0/2被選舉為指定端口,交換機(jī)LSW2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)LSW3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)LSW2與交換機(jī)LSW3之間這條鏈路邏輯上處于斷開狀態(tài),這樣就將交換環(huán)路變成了邏輯上的無環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如果主鏈路發(fā)生故障時,才會啟用備份鏈路,如圖3.5所示。3.1.3生成樹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,二層端口為非指定端口,也不會參與數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。該端口通過接收BPDU來判斷根交換機(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,端口會在這種狀態(tài)下停留20秒鐘時間。Listening(偵聽狀態(tài)):生成樹此時已經(jīng)根據(jù)交換機(jī)所接收到的BPDU而判斷出了這個端口應(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,而同時也開始發(fā)送自己的BPDU,并以此通告鄰接的交換機(jī)該端口會在活動拓?fù)渲袇⑴c轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的工作。在默認(rèn)情況下,該端口會在這種狀態(tài)下停留15秒鐘的時間。Learning(學(xué)習(xí)狀態(tài)):這個二層端口準(zhǔn)備參與數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā),并開始填寫MAC表。在默認(rèn)情況下,端口會在這種狀態(tài)下停留15秒鐘時間。Forwarding(轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)):這個二層端口已經(jīng)成為了活動拓?fù)涞囊粋€組成部分,它會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀,并同時收發(fā)BPDU。Disabled(禁用狀態(tài)):這個二層端口不會參與生成樹,也不會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念STP端口功能描述,如表3.2所示。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念8.STP拓?fù)渥兓诜€(wěn)定的STP拓?fù)淅?,非根橋會定期收到來自根橋的BPDU報文。如果根橋發(fā)生了故障,停止發(fā)送BPDU報文,下游交換機(jī)就無法收到來自根橋的BPDU報文。如果下游交換機(jī)一直收不到BPDU報文,MaxAge定時器就會超時(MaxAge的默認(rèn)值為20秒),從而導(dǎo)致已經(jīng)收到的BPDU報文失效,此時,非根交換機(jī)會互相發(fā)送配置BPDU報文,重新選舉新的根橋。根橋故障會導(dǎo)致50秒左右的恢復(fù)時間,恢復(fù)時間約等于MaxAge加上兩倍的ForwardDelay收斂時間。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地址表項的老化時間是300秒。如果生成樹拓?fù)浒l(fā)生變化,交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路徑也會隨著發(fā)生改變,此時MAC地址表中未及時老化掉的表項會導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)錯誤,因此在拓?fù)浒l(fā)生變化后需要及時更新MAC地址表項。拓?fù)渥兓^程中,根橋通過TCNBPDU報文獲知生成樹拓?fù)淅锇l(fā)生了故障。根橋生成TC用來通知其他交換機(jī)加速老化現(xiàn)有的MAC地址表項,如圖3.6所示。3.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念8.STP拓?fù)渥兓?.1.3生成樹STP協(xié)議基本概念8.STP拓?fù)渥兓負(fù)渥兏约癕AC地址表項更新的具體過程如下:(1)交換機(jī)LSW3感知到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化后,會不間斷地向交換機(jī)LSW2發(fā)送TCNBPDU報文。(2)交換機(jī)LSW2收到交換機(jī)LSW3發(fā)來的TCNBPDU報文后,會把配置BPDU報文中的Flags的TCA位設(shè)置1,然后發(fā)送給交換機(jī)LSW3,告知交換機(jī)LSW3停止發(fā)送TCNBPDU報文。(3)交換機(jī)LSW2向根橋交換機(jī)LSW1轉(zhuǎn)發(fā)TCNBPDU報文。(4)根橋交換機(jī)LSW1把配置BPDU報文中的Flags的TC位設(shè)置為1后發(fā)送,通知下游設(shè)備把MAC地址表項的老化時間由默認(rèn)的300秒,修改為ForwardDelay的時間(默認(rèn)為15秒)。(5)最多等待15秒之后,交換機(jī)LSW3中的錯誤MAC地址表項會被自動清除。此后,交換機(jī)LSW3就能重新開始MAC表項的學(xué)習(xí)及轉(zhuǎn)發(fā)操作。任務(wù)實施華為X7系列交換機(jī)支持三種生成樹協(xié)議模式。stpmode{mstp|stp|rstp}命令用來配置交換機(jī)的生成樹協(xié)議模式。缺省情況下,華為X7系列交換機(jī)工作在MSTP模式。在使用STP前,STP模式必須重新配置。(1)如圖3.7所示,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接,交換機(jī)進(jìn)行默認(rèn)選舉。任務(wù)3.2RSTP協(xié)議配置任務(wù)陳述知識準(zhǔn)備3.2.1快速生成樹RSTP協(xié)議概述3.2.2快速生成樹RSTP協(xié)議基本概念任務(wù)實施任務(wù)3.2RSTP協(xié)議配置任務(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)越來越離不開網(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SPT協(xié)議,來形成雙核心備份網(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)的收斂時間有點(diǎn)長,大約需要1分鐘左右的時間,于是工程師小李決定配置快速生成樹RSPT協(xié)議,來解決網(wǎng)絡(luò)的收斂延時問題,那么工程師小李將如何實現(xiàn)公司網(wǎng)絡(luò)冗余備份呢?任務(wù)3.2RSTP協(xié)議配置知識準(zhǔn)備3.2.1快速生成樹RSTP協(xié)議概述快速生成樹協(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,能更快的收斂網(wǎng)絡(luò)。它比802.1D多了一種端口類型:備份端口(BackupPort)類型,用來做指定端口的備份。RSTP是從STP發(fā)展過來的,其實現(xiàn)基本思想一致,但它更進(jìn)一步的處理了網(wǎng)絡(luò)臨時失去連通性的問題。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ForwardDelay時延而可以直接進(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報文,不參與RSTP運(yùn)算,可以由Disabled狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到Forwarding狀態(tài),直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài),不需要任何時延,如圖3.13所示,但是,一旦邊緣端口收到配置BPDU報文,就喪失了邊緣端口屬性,成為普通STP端口,并重新進(jìn)行生成樹計算,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端網(wǎng)橋的指定端口仍處于Forwarding狀態(tài),那么新的根端口可以立即進(jìn)入Forwarding狀態(tài)。802.1W規(guī)定快速生成樹協(xié)議RSTP,收斂速度可達(dá)到1s,而802.1D規(guī)定生成樹協(xié)議STP,收斂速度則需要大約50s。3.2.2RSTP協(xié)議基本概念STP能夠提供無環(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)制保證鏈路及時協(xié)商,從而有效避免收斂計時器在生成樹收斂前超時。運(yùn)行RSTP的交換機(jī)使用了兩個不同的端口角色來實現(xiàn)冗余備份。當(dāng)?shù)礁鶚虻漠?dāng)前路徑出現(xiàn)故障時,作為根端口的備份端口,Alternate端口提供了從一個交換機(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)一個交換機(jī)和一個共享媒介設(shè)備例如Hub建立兩個或者多個連接時,可以使用Backup端口。同樣,當(dāng)交換機(jī)上兩個或者多個端口和同一個LAN網(wǎng)段連接時,也可以使用Backup端口,如圖3.14所示。3.2.2RSTP協(xié)議基本概念1.RSTP收斂過程RSTP收斂遵循STP基本原理。網(wǎng)絡(luò)初始化時,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)置每個端口為指定端口。此時,端口為Discarding狀態(tài)。每個認(rèn)為自己是“根橋”的交換機(jī)生成一個RSTBPDU報文來協(xié)商指定。網(wǎng)段的端口狀態(tài),此RSTBPDU報文的Flags字段里面的Proposal位需要置位。當(dāng)一個端口收到RSTBPDU報文時,此端口會比較收到的RSTBPDU報文和本地的RSTBPDU報文。如果本地的RSTBPDU報文優(yōu)于接收的RSTBPDU報文,則端口會丟棄接收的RSTBPDU報文,并發(fā)送Proposal置位的本地RSTBPDU報文來回復(fù)對端設(shè)備。3.2.2RSTP協(xié)議基本概念1.RSTP收斂過程交換機(jī)使用同步機(jī)制來實現(xiàn)端口角色協(xié)商管理。當(dāng)收到Proposal置位并且優(yōu)先級高的BPDU報文時,接收交換機(jī)必須設(shè)置所有下游指定端口為Discarding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Discarding狀態(tài)后,設(shè)備發(fā)送RSTBPDU報文回復(fù)上游交換機(jī)發(fā)送的Proposal消息。在此過程中,端口已經(jīng)確認(rèn)為根端口,因此RSTBPDU報文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報文后,指定端口立即從Discarding狀態(tài)遷移為Forwarding狀態(tài)。然后,下游網(wǎng)段開始使用同樣的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)定的時間間隔內(nèi)沒有收到上游交換機(jī)發(fā)送的RSTBPDU,便會確認(rèn)本端口和對端端口的通信失敗,從而需要重新進(jìn)行RSTP的計算來確定交換機(jī)及端口角色。RSTP是可以與STP實現(xiàn)后向兼容的,但在實際中,并不推薦這樣的做法,原因是RSTP會失去其快速收斂的優(yōu)勢,而STP慢速收斂的缺點(diǎn)會暴露出來。當(dāng)同一個網(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,STP交換機(jī)會忽略接收到的RSTBPDU,而RSTP交換機(jī)在某端口上接收到STPBPDU時,會等待兩個HelloTime時間之后,把自己的端口轉(zhuǎn)換到STP工作模式,此后便發(fā)送STPBPDU,這樣就實現(xiàn)了兼容性操作。3.2.2RSTP協(xié)議基本概念2.端口角色RSTP根據(jù)端口在活動拓?fù)渲械淖饔茫x了5種端口角色:根端口(RootPort)、指定端口(DesignatedPort)、替代端口(AlternatePort)、備份端口(BackupPort)和禁用端口(DisabledPort)。RSTP有五種端口類型,根端口和指定端口這兩個角色在RSTP中被保留,阻斷端口分成備份和替換端口角色。生成樹算法(STA)使用BPDU來決定端口的角色,端口類型也是通過比較端口中保存的BPDU來確定哪個比其他的更優(yōu)先。(1)根端口(RootPort)。非根橋收到最優(yōu)的BPDU配置信息的端口為根端口,即到根橋開銷最小的端口,這點(diǎn)和STP一樣。(2)指定端口(DesignatedPort)。與STP一樣,每個以太網(wǎng)網(wǎng)段段內(nèi)必須有一個指定端口。(3)替代端口(AlternatePort)。如果一個端口收到另外一個網(wǎng)橋的更好的BPDU,但不是最好的,那么這個端口成為替換端口,當(dāng)根端口發(fā)生故障后,替代端口將成為根端口。(4)備份端口(BackupPort)。如果一個端口收到同一個網(wǎng)橋的更好BPDU,那么這個端口成為備份端。當(dāng)兩個端口被一個點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的一個環(huán)路連在一起時,或者當(dāng)一個交換機(jī)有兩個或多個到共享局域網(wǎng)段的連接時,一個備份端口才能存在,當(dāng)指定端口發(fā)生故障后,備份端口將成為指定端口。(5)禁用端口(DisabledPort)。在快速生成樹協(xié)議應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中不擔(dān)當(dāng)任何角色。3.2.2RSTP協(xié)議基本概念3.端口狀態(tài)STP定義了5種不同的端口狀態(tài),關(guān)閉(Disable)、阻斷(Blocking)、監(jiān)聽(Listening)、學(xué)習(xí)(Learning)和轉(zhuǎn)發(fā)(Forwarding),其端口狀態(tài)表現(xiàn)為在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲卸丝跔顟B(tài)混合(阻斷或轉(zhuǎn)發(fā)),在拓?fù)渲械慕巧ǜ丝?、指定端口等等)。在操作上看,阻斷狀態(tài)和監(jiān)聽狀態(tài)沒有區(qū)別,都是丟棄數(shù)據(jù)幀而且不學(xué)習(xí)MAC地址,在轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)下,無法知道該端口是根端口還是指定端口。在RSTP中只有三種端口狀態(tài),Discarding、Learning和Forwarding。802.1D中的禁止端口,監(jiān)聽端口,阻塞端口在802.1W中統(tǒng)一合并為禁止端口。RSTP端口功能描述,如表3.3所示。任務(wù)實施(1)配置快速生成樹RSTP,如圖3.15所示,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。任務(wù)3.3MSTP協(xié)議配置任務(wù)陳述知識準(zhǔn)備3.3.1多生成樹MSTP協(xié)議概述3.3.1多生成樹MSTP協(xié)議基本概念任務(wù)實施任務(wù)3.3MSTP協(xié)議配置任務(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)越來越離不開網(wǎng)絡(luò),為了保證網(wǎng)絡(luò)可靠性與穩(wěn)定性,小李配置了生成樹STP協(xié)議實現(xiàn)了鏈路的冗余,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,但網(wǎng)絡(luò)的收斂時間較長,大約需要50秒左右的時間,RSTP在STP基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖偈諗浚蠹s需要1秒左右的時間,網(wǎng)絡(luò)收斂速度已經(jīng)解決,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,VLAN技術(shù)的應(yīng)用,公司需要在可靠性、服務(wù)質(zhì)量、傳送效率、業(yè)務(wù)處理靈活性、可管理性等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面具有更高的要求,新的問題也隨之而來,網(wǎng)絡(luò)中的根交換機(jī)負(fù)載明顯過重,而其它非根交換機(jī)工作量較少,負(fù)載明顯不均衡,需要新的技術(shù)與以解決,那么小李將通過什么技術(shù)來解決上述問題呢?任務(wù)3.3MSTP協(xié)議配置知識準(zhǔn)備3.3.1多生成樹MSTP協(xié)議概述多生成樹(MST)使用修正的快速生成樹(RSTP)協(xié)議,叫做多生成樹協(xié)議(MultipleSpanningTreeProtocol,MSTP),多生成樹(MST)是把IEEE802.1W的快速生成樹(RST)算法擴(kuò)展而得到的。RSTP在STP基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖偈諗?。但由于局域網(wǎng)內(nèi)所有的VLAN共享一棵生成樹,因此被阻塞后鏈路將不承載任何流量,無法在VLAN間實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的負(fù)載均衡,從而造成帶寬浪費(fèi)。為了彌補(bǔ)STP和RSTP的缺陷,IEEE于2002年發(fā)布的802.1S標(biāo)準(zhǔn)定義了MSTP。MSTP兼容STP和RSTP,既可以快速收斂,又提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的多個冗余路徑,在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中實現(xiàn)VLAN數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡。3.3.1MSTP協(xié)議基本概念(1)MST域(MultipleSpanningTreeRegion)。MST域是多生成樹域,由交換網(wǎng)絡(luò)中的多臺交換設(shè)備以及它們之間的網(wǎng)段所構(gòu)成。同一個MST域的設(shè)備具有下列特點(diǎn):都啟動了MSTP;具有相同的域名;具有相同的VLAN到生成樹實例映射配置;具有相同的MSTP修訂級別配置。所謂實例就是針對一組VLAN的一個獨(dú)立計算的STP。通過將多個VLAN捆綁到一個實例,相對于每個VLAN獨(dú)立運(yùn)算來說,可以節(jié)省通信開銷和資源占用率。MSTP各個實例的計算過程相互獨(dú)立,使用多個實例可以實現(xiàn)物理鏈路的負(fù)載均衡。當(dāng)把多個相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VLAN映射到一個實例之后,這些VLAN在端口上

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