網(wǎng)絡(luò)技術(shù) - 冗余交換鏈路與生成樹協(xié)議

第13章冗余交換鏈路與生成樹協(xié)議

Contents13.2

生成樹協(xié)議概述

213.1交換機(jī)中的冗余鏈路3113.3STP3313.1.1冗余備份鏈路

在交換網(wǎng)絡(luò)中，由于單點(diǎn)（單鏈路）故障容易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，因此引入備份鏈路。但冗余鏈路又會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，當(dāng)交換網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴、多幀復(fù)制和MAC地址表不穩(wěn)定等現(xiàn)象，如圖13-1、13-2、13-3所示。在局域網(wǎng)中很多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都采用廣播方式進(jìn)行管理和操作，廣播采用廣播幀來發(fā)送和傳遞信息，廣播幀是向局域網(wǎng)中所有主機(jī)，因此容易產(chǎn)生碰撞，為緩解碰撞又要重傳更多的數(shù)據(jù)包，從而耗盡網(wǎng)絡(luò)帶寬，使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。當(dāng)一臺(tái)主機(jī)收到某個(gè)數(shù)據(jù)幀的多個(gè)副本時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無從選擇，不知選用哪個(gè)數(shù)據(jù)幀。圖13-3中MAC地址表不穩(wěn)定的產(chǎn)生過程如下。主機(jī)X發(fā)送一單點(diǎn)幀給路由器Y路由器Y的MAC地址還沒有被交換機(jī)A和B學(xué)習(xí)到交換機(jī)A和B都學(xué)習(xí)到主機(jī)X的MAC地址對應(yīng)端口0到路由器Y的數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)A和B上會(huì)泛洪處理交換機(jī)A和B都錯(cuò)誤學(xué)習(xí)到主機(jī)X的MAC地址對應(yīng)端口1在多幀復(fù)制時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致MAC地址表的多次刷新，這種持續(xù)的更新、刷新過程會(huì)嚴(yán)重耗用內(nèi)存資源，影響交換機(jī)的交換能力，降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)耗盡網(wǎng)絡(luò)資源、導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。在實(shí)際交換網(wǎng)絡(luò)中，還會(huì)產(chǎn)生多重回路，如圖13-4所示。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大，需要的帶寬更多，充分利用冗余鏈路，而不是阻止備份鏈路、使負(fù)載均衡，成為更加關(guān)注的內(nèi)容。解決環(huán)路的最初思路是，當(dāng)主要鏈路正常時(shí)，斷開備份鏈路；當(dāng)主要鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，就自動(dòng)啟用備份鏈路，于是產(chǎn)生了生成樹協(xié)議。在交換式的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)冗余的方式主要有兩種：生成樹協(xié)議和鏈路捆綁技術(shù)。其中生成樹協(xié)議是一個(gè)純二層協(xié)議，鏈路捆綁技術(shù)既可在二層接口上也可在三層接口上使用。CompanyName13.1.2二層聚合鏈路

1．二層鏈路聚合的基本概念把多個(gè)二層物理鏈接捆綁在一起形成一個(gè)簡單的邏輯鏈接，這個(gè)邏輯鏈接我們稱之為鏈路聚合，這些二層物理端口捆綁在一起稱為一個(gè)聚合口aggregateport（簡稱AP）。AP是鏈路帶寬擴(kuò)展的一個(gè)重要途徑，符合IEEE802.3ad標(biāo)準(zhǔn)。它可以把多個(gè)端口的帶寬疊加起來使用，形成一個(gè)帶寬更大的邏輯端口，同時(shí)當(dāng)AP中的一條成員鏈路斷開時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該鏈路的流量分配到AP中的其他有效鏈路上去，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和鏈路冗余。Aggregateport（AG）可以根據(jù)報(bào)文的源MAC地址、目的MAC地址或IP地址進(jìn)行流量平衡，即把流量平均地分配到AG組成員鏈路中去。當(dāng)接入層和匯聚之間創(chuàng)建了一條由三個(gè)百兆組成的AP鏈路時(shí)，在用戶側(cè)接入層交換機(jī)上，來自不同的用戶主機(jī)數(shù)據(jù)，源MAC地址不同，因此二層AP基于源MAC地址進(jìn)行多鏈路負(fù)載均衡方式。而在匯聚層交換機(jī)上發(fā)往用戶數(shù)據(jù)幀的源MAC地址只有一個(gè)，就是本身的SVI接口MAC。因此二層AP基于目的MAC地址進(jìn)行多鏈路負(fù)載均衡方式。鏈路聚合的注意點(diǎn)：（1）聚合端口的速度必須一致（2）聚合端口必須屬于同一個(gè)VLAN（3）聚合端口使用的傳輸介質(zhì)相同（4）聚合端口必須屬于同一層次，并與AP也要在同一層次13.1.3三層聚合鏈路

1．三層鏈路聚合技術(shù)及配置三層鏈路的AP和二層鏈路AP技術(shù)其本質(zhì)相同，都是通過捆綁多條鏈路形成一個(gè)邏輯端口來增加帶寬，保證冗余和負(fù)載分擔(dān)的目的。三層鏈路冗余技術(shù)較二層鏈路冗余技術(shù)豐富得多，配合各種路由協(xié)議可以輕松實(shí)現(xiàn)三層鏈路冗余和負(fù)載均衡。建立三層AP首先應(yīng)手動(dòng)建立匯聚端口，并將其設(shè)置為三層接口（noswitchport）。如果直接將交換機(jī)端口加入的話，會(huì)出現(xiàn)接口類型不匹配，命令無法執(zhí)行的錯(cuò)誤。

注意：建立三層AP需要首先手動(dòng)建立匯聚端口，并將其設(shè)置為三層接口。如果直接將交換機(jī)端口加入的話，會(huì)出現(xiàn)接口類型不匹配，命令無法執(zhí)行的錯(cuò)誤。2．基于OSPF的三層鏈路冗余技術(shù)基于OSPF的三層鏈路冗余技術(shù)在大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中使用廣泛。對兩臺(tái)核心交換設(shè)備分別有兩條出口（分別接兩臺(tái)路由器）冗余備份的網(wǎng)絡(luò)中，可在核心設(shè)備的兩條上行鏈路上做負(fù)載均衡。但如果在出口路由器上需要做NAT轉(zhuǎn)換，負(fù)載均衡就很難實(shí)現(xiàn)。但可通過調(diào)整cost的值實(shí)現(xiàn)鏈路冗余和負(fù)載分擔(dān)。對兩臺(tái)核心交換設(shè)備有一條出口（接一臺(tái)路由器）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不需要通過人工調(diào)整cost值來實(shí)現(xiàn)流量分擔(dān)。只需要更改OSPF的參考帶寬，由OSPF自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡功能。13.2生成樹協(xié)議概述

生成樹協(xié)議同其他協(xié)議一樣，是隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展而不斷更新?lián)Q代的，生成樹協(xié)議的發(fā)展過程分為三代：第一代生成樹協(xié)議：STP/RSTP第二代生成樹協(xié)議：PVST/PVST+第三代生成樹協(xié)議：MISTP/MSTPcisco在802.1d基礎(chǔ)上增加了幾個(gè)私有的增強(qiáng)協(xié)議：portfast、uplinkfast、backbonefast,其目的都在于加快收斂速度。PortFast特性指連接工作站或服務(wù)器的端口無需經(jīng)過監(jiān)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài),直接從堵塞狀態(tài)進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，從而節(jié)約了30秒(轉(zhuǎn)發(fā)延遲)的時(shí)間。uplinkfast是用在接入層、有阻斷端口的交換機(jī)上，當(dāng)它連接到主干交換機(jī)上的主鏈路有故障時(shí)能立即切換到備份鏈路上，而不需要30秒或50秒(轉(zhuǎn)發(fā)延遲)的時(shí)間。backbonefast用在主干交換機(jī)之間，并要求所有交換機(jī)都啟動(dòng)backbonefast。當(dāng)主干交換機(jī)之間的鏈路發(fā)生故障時(shí)，用20秒（節(jié)約了30秒）就切換到備份鏈路上。13.2.1生成樹協(xié)議的種類

1．基本STP基本STP協(xié)議規(guī)范為IEEE802.1d，STP基本思路是阻斷一些交換機(jī)接口，構(gòu)建一棵沒有環(huán)路的轉(zhuǎn)發(fā)樹。STP利用BPDU(BridgeProtocolDataUnit)和其他交換機(jī)進(jìn)行通信，BPDU中有根橋ID、路徑代價(jià)、端口ID等幾個(gè)關(guān)鍵的字段。為了在網(wǎng)絡(luò)中形成一個(gè)沒有環(huán)路的拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)要進(jìn)行三種選舉：（1）選舉根橋。（2）選取根端口。（3）選取指定端口。交換機(jī)中的接口只有是根端口或指定端口，才能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，其它接口都處于阻塞狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)過渡，重新打開或阻斷某些接口。交換機(jī)的端口要經(jīng)過幾種狀態(tài)：禁用（Disable）、阻塞（Blocking）、監(jiān)聽狀態(tài)(Listening)、學(xué)習(xí)狀態(tài)（Learning）、最后是轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)(Forwarding)。2．RSTPRSTP的協(xié)議規(guī)范為IEEE802.1w，它是為了減少STP收斂時(shí)間而修訂的新的協(xié)議。在RSTP中，接口的角色有四種：根端口、指定端口、備份端口、替代端口。接口的狀態(tài)只有三種：丟棄（Discarding）、學(xué)習(xí)狀態(tài)（Learning）、轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)(Forwarding)。接口還分為：邊界接口、點(diǎn)到點(diǎn)接口、共享接口。3．PVST當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)VLAN時(shí)，PVST(PerVlanSTP)會(huì)為每個(gè)VLAN構(gòu)建一棵STP樹。這樣的好處是可以獨(dú)立地為每個(gè)VLAN控制哪些接口要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。缺點(diǎn)是如果VLAN數(shù)量很多，會(huì)給交換機(jī)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。Cisco交換機(jī)默認(rèn)的模式就是PVST。4．MSTPMSTP的協(xié)議規(guī)范為IEEE802.1s，在PVST中交換機(jī)為每個(gè)VLAN都構(gòu)建一棵STP樹，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，VLAN的數(shù)量也在不斷增多，會(huì)給交換機(jī)帶來很大負(fù)載、占用大量帶寬。MSTP是把多個(gè)VLAN映射到一個(gè)STP實(shí)例上，即為每個(gè)實(shí)例建立一棵STP樹，從而減少了STP樹的數(shù)量，它與STP、PVST兼容。銳捷交換機(jī)默認(rèn)的模式就是MSTP。CompanyName生成樹協(xié)議的基本概念

根端口網(wǎng)橋號(hào)非指定端口指定網(wǎng)橋BPDU

指定端口根網(wǎng)橋生成樹協(xié)議有以下基本術(shù)語：網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU），是STP中的“hello數(shù)據(jù)包”，每隔一定的時(shí)間間隔（2秒，可配置）發(fā)送，它在網(wǎng)橋之間交換信息。STP就是通過在交換機(jī)之間周期發(fā)送網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的環(huán)路，并通過阻塞有關(guān)端口來斷開環(huán)路的。網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元主要包括以下字段：ProtocolID，Version，MessageType，F(xiàn)lag，RootID（根網(wǎng)橋ID），CostofPath（路徑開銷），BridgeID（網(wǎng)橋ID），PortID（端口ID），計(jì)時(shí)器包括：MessageAge、MaximumTime、HelloTime、ForwardDelay（傳輸延遲）。其作用為：ProtocolID（2字節(jié)）和Version（1字節(jié)）是STP相關(guān)的信息和版本號(hào)，通常固定為0。MessageType（1字節(jié)）：分為兩種類型，配置BPDU和拓?fù)渥兏ǜ鍮PDU。Flag（1字節(jié)）：與拓?fù)渥兏ǜ嫦嚓P(guān)的狀態(tài)和信息。RootID（8字節(jié)）：根網(wǎng)橋號(hào)由2字節(jié)優(yōu)先級(jí)和6字節(jié)MAC組成。CostofPath：路徑開銷是從交換機(jī)到根橋的方向累計(jì)的花費(fèi)值。BridgeID：發(fā)送自己的網(wǎng)橋ID。PortID：發(fā)送自己的端口ID，端口ID由1字節(jié)端口優(yōu)先級(jí)和1字節(jié)端口ID組成。MaximumTime：當(dāng)一段時(shí)間未收到任何BPDU，生存期達(dá)到MaxAge時(shí)，網(wǎng)橋則認(rèn)為該端口連接的鏈路發(fā)生故障，默認(rèn)20秒。HelloTime：發(fā)送BPDU的周期，默認(rèn)為2秒，F(xiàn)orwardDelay：BPDU全網(wǎng)傳輸延遲，默認(rèn)15秒。1．BPDU（網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）2．網(wǎng)橋號(hào)網(wǎng)橋號(hào)（BridgeID）用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)交換機(jī)，它由兩部分組成，2字節(jié)優(yōu)先級(jí)和6字節(jié)MAC組成。優(yōu)先級(jí)從0-65535，缺省為32768。3．根網(wǎng)橋具有最小網(wǎng)橋號(hào)的交換機(jī)將被選舉為根網(wǎng)橋，根網(wǎng)橋的所有端口都不會(huì)阻塞，并都處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。4．指定網(wǎng)橋?qū)粨Q機(jī)連接的每一個(gè)網(wǎng)段，都要選出一個(gè)指定網(wǎng)橋，指定網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋的累計(jì)路徑花費(fèi)最小，由指定網(wǎng)橋收發(fā)本網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包。5．根端口整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)根網(wǎng)橋，根網(wǎng)橋上的端口都是指定端口，而不是根端口，而在非根網(wǎng)橋上，需要選擇一個(gè)根端口。根端口是指從交換機(jī)到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的端口，交換機(jī)通過根端口與根網(wǎng)橋通信。根端口（RP）設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。6．指定端口每個(gè)非根網(wǎng)橋?yàn)槊總€(gè)連接的網(wǎng)段選出一個(gè)指定端口，一個(gè)網(wǎng)段的指定端口指該網(wǎng)段到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的端口，根網(wǎng)橋上的端口都是指定端口。指定端口（DP）設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。7．非指定端口除了根端口和指定端口之外的其他端口稱為非指定端口，非指定端口將處于阻塞狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)任何用戶數(shù)據(jù)。13.3STP

TEXTTEXTTEXTTEXTSTP起源于DEC公司的“網(wǎng)橋到網(wǎng)橋”協(xié)議，后來，IEEE802委員會(huì)制定了生成樹協(xié)議的規(guī)范802.1d。其作用是，在冗余鏈路中，解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。STP通過生成樹算法（SPA）生成一個(gè)沒有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主要鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，能夠自動(dòng)切換到備份鏈路，保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。STP通過從軟件層面修改網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)無環(huán)路的邏輯轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和減少網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生率。13.3.1STP中的選擇原則1．根網(wǎng)橋的選舉原則在全網(wǎng)范圍內(nèi)選舉網(wǎng)橋號(hào)（BridgeID）最小的交換機(jī)為根網(wǎng)橋，網(wǎng)橋號(hào)由交換機(jī)優(yōu)先級(jí)和Mac地址組合而成，從而可通過改變交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)別來改變根網(wǎng)橋的選舉。選舉步驟如下：（1）所有交換機(jī)首先都認(rèn)為自己是根；（2）從自己的所有可用端口發(fā)送“配置BPDU”，其中包含自己的網(wǎng)橋號(hào)，并作為根；（3）當(dāng)收到其他網(wǎng)橋發(fā)來的“配置BPDU”時(shí)，檢查對方交換機(jī)的網(wǎng)橋號(hào)，若比自己小，則不再聲稱自己是根了（不再發(fā)送BPDU了）；（4）當(dāng)所有交換機(jī)都這樣操作后，只有網(wǎng)絡(luò)中最小網(wǎng)橋號(hào)的交換機(jī)還在繼續(xù)發(fā)送BPDU，因此它就成為根網(wǎng)橋了。2．最短路徑的選擇（1）首先比較路徑開銷比較本交換機(jī)到達(dá)根網(wǎng)橋的路徑開銷，選擇開銷最小的路徑（2）其次比較網(wǎng)橋號(hào)如果路徑開銷相同，則比較發(fā)送BPDU交換機(jī)的網(wǎng)橋號(hào)（BridgeID）（3）其三，比較發(fā)送者端口號(hào)（PortID）①如果發(fā)送者網(wǎng)橋號(hào)相同，即同一臺(tái)交換機(jī)，則比較發(fā)送者交換機(jī)的PortID②PortID：端口號(hào)由1字節(jié)端口優(yōu)先級(jí)和1字節(jié)端口ID組成③端口默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)為128（4）最后，比較接收者的端口號(hào)（PortID）①如不同鏈路發(fā)送者的BridgeID一致（即同一臺(tái)交換機(jī)），那比較接收者的PortID3．選舉根端口和指定端口如圖13-5所示，一旦選好了最短路徑，就選好了根端口和指定端口。4．生成樹的工作過程（1）首先進(jìn)行根橋的選舉。每臺(tái)交換機(jī)通過向鄰居發(fā)送BPDU，選出網(wǎng)橋ID最小的網(wǎng)橋作為網(wǎng)絡(luò)中的根橋。（2）確定根端口和指定端口。計(jì)算出非根橋的交換機(jī)到根橋的最小路徑開銷，找出根端口（最小的發(fā)送方網(wǎng)橋ID）和指定端口（最小的端口ID）。（3）阻塞非根網(wǎng)橋上非指定端口。阻塞非根網(wǎng)橋上非指定端口以裁剪冗余的環(huán)路，構(gòu)造一個(gè)無環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這個(gè)無環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一棵樹，根橋作為樹干，沒裁剪的活動(dòng)鏈路作為向外輻射的樹枝。在處于穩(wěn)定狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中，BPDU從根橋沿著無環(huán)的樹枝傳送到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)網(wǎng)段。5．生成樹操作規(guī)則每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)根橋，根橋上的接口都是指定口每個(gè)非根橋只有一個(gè)根端口每個(gè)段只有一個(gè)指定端口，其它接口為非指定口指定端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，非指定端口不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)13.3.2STP端口的狀態(tài)

生成樹經(jīng)過一段時(shí)間（默認(rèn)值是50秒左右）穩(wěn)定之后，所有端口要么進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，要么進(jìn)入阻塞狀態(tài)。圖13-6顯示了生成樹端口狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，它指出了網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)交換機(jī)在剛加電啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)端口都要經(jīng)歷生成樹的四個(gè)狀態(tài)：阻塞、偵聽、學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)。在能夠轉(zhuǎn)發(fā)用戶的數(shù)據(jù)包之前，端口最多要等50秒時(shí)間，20秒阻塞時(shí)間（MaxAge）、加15秒偵聽延遲時(shí)間（ForwardDelay）、加15秒學(xué)習(xí)延遲時(shí)間（ForwardDelay）。（1）阻塞狀態(tài)Blocking。剛開始，交換機(jī)的所有端口均處于阻塞狀