TCPIP路由交換技術(shù)（第二版）課件 5.2 生成樹協(xié)議

項目5管理交換網(wǎng)絡(luò)的冗余鏈路授課教師：管秀君吉林交通職業(yè)技術(shù)學院學習任務(wù)5.2了解生成樹協(xié)議5.2.1生成樹協(xié)議的產(chǎn)生解決環(huán)路的思路5.2.2生成樹協(xié)議基本算法生成樹算法的基本原理交換機之間彼此傳遞一種特殊的配置消息，生成樹協(xié)議（802.1D）將這種配置消息稱為“橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元”或者“BPDU”。BPDU中包含了足夠的信息來保證網(wǎng)橋完成生成樹的計算。交換機會根據(jù)BPDU消息來完成如下的工作：（１）在橋接網(wǎng)絡(luò)的所有參與生成樹計算的網(wǎng)橋中，選出一個作為樹根（RootBridge）；（２）計算出其他網(wǎng)橋到這個根網(wǎng)橋的最短路徑；（３）為每一個LAN選出一個指定網(wǎng)橋，該網(wǎng)橋必須是離根網(wǎng)橋最近的。指定網(wǎng)橋負責將這個LAN上的包轉(zhuǎn)發(fā)給根橋；（４）為每個網(wǎng)橋選擇一個根端口，該端口給出的路徑是本網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋的最短路徑；（５）確定除根端口之外的包含于生成樹上的端口。BPDU幀格式圖中各段內(nèi)容的含義如下：DMA:目的MAC地址，配置消息的目的地址,固定的組播地址為:0x0180c2000000；SMA:源MAC地址，即發(fā)送該配置消息的橋MAC地址；L/T:幀長；LLCHeader:配置消息固定的鏈路頭；Payload:BPDU的數(shù)據(jù)。BPDU包含的關(guān)鍵字段字段字節(jié)作用協(xié)議ID2標識生成樹協(xié)議的ID版本號1標識生成樹協(xié)議的版本報文類型1標識是配置BPDU還是TCNBPDU標記域1標識生成樹協(xié)議的域根網(wǎng)橋ID8用于通告根網(wǎng)橋的ID根路徑成本4說明這個BPDU從根傳輸了多遠發(fā)送網(wǎng)橋ID8發(fā)送這個BPDU網(wǎng)橋的ID端口ID2發(fā)送報文的端口的ID報文老化時間2計時器值，用于說明生成樹用多長時間完成它的每項功能最大老化時間2訪問時間2轉(zhuǎn)發(fā)延遲2BPDU的作用BPDU的作用：STP剛開始運行時選舉根橋檢測發(fā)生環(huán)路的位置阻止環(huán)路發(fā)生通告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變監(jiān)控生成樹的狀態(tài)等。5.2.3生成樹協(xié)議關(guān)鍵術(shù)語根交換機（RootSwitch）每廣播域選出一個根交換機，網(wǎng)橋ID（bridgeID)值最小的交換機，即為根交換機。網(wǎng)橋ID是唯一的，交換機之間選擇BID值最小的交換機作為網(wǎng)絡(luò)中的根網(wǎng)橋。網(wǎng)橋優(yōu)先級網(wǎng)橋的MAC地址2字節(jié)6字節(jié)取值范圍：0～65535缺省值：32768選擇根網(wǎng)橋的目的是為了給將生成的樹形結(jié)構(gòu)確定一個樹根非根交換機除了根交換機之外的其他交換機我們統(tǒng)統(tǒng)都可以稱為非根交換機，在非根交換機里還包含一種角色，叫做指定交換機，是指某一網(wǎng)段通過該交換機到達根交換機的路徑花費最少的交換機。路徑花費（RootPathCost）路徑成本根據(jù)鏈路帶寬的高低規(guī)定鏈路帶寬（Mb/s）路徑成本10100166245391001915514622610004100002路徑花費計算根路徑成本－是網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋的路徑上所有鏈路的成本之和1919路徑開銷38SwitchCRootSwitchASwitchBSwitchD根端口選擇依據(jù)（RootPort）根端口，簡稱RP，是指一臺非根交換機到達根交換機的具有最佳路徑的端口，這個根口處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)(Forwarding),特別要注意的是根口在非根交換機上。在非根網(wǎng)橋上選擇一個到根網(wǎng)橋最近的端口作為根端口選擇根端口的依據(jù)是：根路徑成本最低直連的網(wǎng)橋ID最小端口ID最小根端口優(yōu)先級

端口優(yōu)先級

端口編號

8位8位取值范圍：0～255缺省值：128端口ID的組成根端口選擇實例選擇根端口舉例100M在非根橋上，選擇一個根端口（RP）ABC優(yōu)先級：4096

MAC地址：000d.2800.b100優(yōu)先級：32768

MAC地址：000d.2800.b101優(yōu)先級：32768

MAC地址：000d.2800.b102RootBridge下一步：選擇指定端口100M100MRootPortRootPort在B和C上，到達A最近的端口是B和C的根端口指定端口（DesignatedPort）在每個網(wǎng)段上，選擇一個指定端口，根橋上的端口全是指定端口非根橋上的指定端口：根路徑成本最低端口所在的網(wǎng)橋的ID值較小端口ID值較小指定端口選擇實例選擇指定端口舉例在每個網(wǎng)段選擇1個指定端口（DP）100MABC優(yōu)先級：4096

MAC地址：000d.2800.b100優(yōu)先級：32768

MAC地址：000d.2800.b101優(yōu)先級：32768

MAC地址：000d.2800.b102RootBridge100M100MRootPort這個端口既不是根端口，也不是指定端口，STP將這個端口阻塞（Block）在這個網(wǎng)段上，B的網(wǎng)橋ID較小，所以B上的端口為指定端口DPDPDP根網(wǎng)橋上的端口都是指定端口非指定端口如果這個端口既不是根口也不是指定端口，那么它就是非指定端口，也就是冗余端口，C交換機的另一個端口,它處于阻塞狀態(tài)(Blocking)。100MABC優(yōu)先級：4096

MAC地址：000d.2800.b100優(yōu)先級：32768

MAC地址：000d.2800.b101優(yōu)先級：32768

MAC地址：000d.2800.b102RootBridge100M100MRootPort這個端口既不是根端口，也不是指定端口，STP將這個端口阻塞（Block）DPDPDP5.2.4

STP的工作過程生成樹協(xié)議的工作過程第一步：選舉根交換機第二步：在非根交換機上選舉一個根端口第三步：在每個網(wǎng)段選舉一個指定端口第四步：阻塞非根口非指定端口選舉根交換機根交換機比較bridgeID,bridgeID最小的交換機為根交換機

BridgeID(交換機ID=交換機優(yōu)先級+交換機MAC地址)選舉根端口依據(jù)順序為：

根路徑花費最小;

發(fā)送網(wǎng)橋ID最小;

發(fā)送端口ID最小。比較路徑成本選舉根端口根口根口選舉根端口比較發(fā)送交換機的網(wǎng)橋ID選舉根端口根口依據(jù)順序為：

根路徑花費最小;

發(fā)送網(wǎng)橋ID最小;

發(fā)送端口ID最小。選舉根端口比較發(fā)送交換機的端口ID選舉根端口根口依據(jù)順序為：

根路徑花費最小;

發(fā)送網(wǎng)橋ID最小;

發(fā)送端口ID最小。在每個網(wǎng)段選舉一個指定端口指定端口為該網(wǎng)段到根交換機最近的端口，處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

根路徑成本最小;

發(fā)送網(wǎng)橋ID最小;

發(fā)送端口ID最小。指定端口指定端口指定端口阻塞非指定端口非根口冗余端口×5.2.5

STP端口轉(zhuǎn)換STP算法計時器——臨時回路的產(chǎn)生當鏈路發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)的拓撲發(fā)生改變，新的配置消息總要經(jīng)過一定的時延才能傳遍整個網(wǎng)絡(luò)。那么在其他網(wǎng)橋發(fā)現(xiàn)拓撲改變之前會發(fā)生什么事情呢？有這樣兩種可能性存在：在舊的拓撲中處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的端口在新的拓撲中應(yīng)該被阻塞，可是它自己并沒有意識到這一點，造成臨時的路徑回環(huán)；在舊的拓撲中被阻塞的端口應(yīng)該在新的拓撲中參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，如果它自己不知道，則會造成網(wǎng)絡(luò)暫時失去連通性。生成樹使用計時器來決定狀態(tài)間轉(zhuǎn)換所需的時間STP算法計時器——轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)換時間生成樹算法的定時器定時發(fā)送的周期叫做HelloTime：網(wǎng)橋從指定端口以HelloTime為周期定時發(fā)送配置消息。配置消息的生存期為MessageAge（缺省為2秒）、最大生存期為MaxAge（缺省為20秒）。端口保存的配置消息有一個生存期MessageAge字段，并按時間遞增。每當收到一個生存期更小的配置消息，則更新自己的配置消息。當一段時間未收到任何配置消息，生存期達到MaxAge時，網(wǎng)橋則認為該端口連接的鏈路發(fā)生故障，進行故障的處理。STP的端口狀態(tài)（1）阻塞（Blocking）：處于這個狀態(tài)的端口不能夠參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文，但是可以接收配置消息，并交給CPU進行處理。不過不能發(fā)送配置消息，也不進行地址學習。（2）監(jiān)聽（Listening）：處于這個狀態(tài)的端口也不參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不進行地址學習；但是可以接收并發(fā)送配置消息。（3）學習（Learning）：處于這個狀態(tài)的端口同樣不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但是開始地址學習，并可以接收、處理和發(fā)送配置消息。（4）轉(zhuǎn)發(fā)（Forwarding）：一旦端口進入該狀態(tài)，就可以轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)了，同時也進行地址學習和配置消息的接收、處理和發(fā)送。STP接口四種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

阻塞傾聽學習轉(zhuǎn)發(fā)5.2.6快速生成樹協(xié)議（RSTP）STP的不足端口從阻塞狀態(tài)進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)必須經(jīng)歷兩倍的ForwardDelay時間，所以網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變之后需要至少兩倍的ForwardDelay時間，才能恢復(fù)連通性。如果網(wǎng)絡(luò)中的拓樸結(jié)構(gòu)變化頻繁，網(wǎng)絡(luò)會頻繁的失去連通性，這樣用戶就會無法忍受。RSTP協(xié)議的特點RSTP（RapidSpanningTreeProtocol）稱為快速生成樹協(xié)議對STP的補充，在物理拓撲變化或配置參數(shù)發(fā)生變化時，原來冗余的交換機端口在點對點的連接條件下端口狀態(tài)可以迅速遷移（Discard→Forward）能夠顯著地減少網(wǎng)絡(luò)拓撲的重新收斂時間定義了2種新增加的端口角色，用于取代阻塞端口：替代（alternate）端口AP：為根端口到根網(wǎng)橋的連接提供了替代路徑備份（backup）端口BP：提供了到達同段網(wǎng)絡(luò)的備份路徑RootBridgeDPDPRPAPDPBPRSTP協(xié)議的端口狀態(tài)RSTP有3種端口狀態(tài)丟棄（discarding）學習（learning）轉(zhuǎn)發(fā)（forwarding）運行狀態(tài)STP端口狀態(tài)RSTP端口狀態(tài)在活動的拓撲中是否包含此狀態(tài)DisabledDisabledDiscarding否EnabledBlockingDiscarding否EnabledListeningDiscarding否EnabledLearningLearning是EnabledForwardingForwarding是RSTP協(xié)議的改進改進一為根端口和指定端口設(shè)置了快速切換用的替換端口（AlternatePort）和備份端口（BackupPort）兩種角色。改進二

指定端口可以通過與相連的網(wǎng)橋進行一次握手，快速進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。改進三

網(wǎng)絡(luò)邊緣的端口，即直接與終端相連，而不是和其他網(wǎng)橋相連的端口可以直接進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，不需要任何延時。RSTP與STP的兼容性RSTP協(xié)議與STP協(xié)議完全兼容RSTP協(xié)議根據(jù)收到的BPDU版本號來自動判斷與之相連的交換機支持的是STP協(xié)議還是RSTP協(xié)議5.2.4多生成樹協(xié)議（MSTP）單生成樹的缺點交換機A和D之間的鏈路不承載任何的流量ADCBMSTP的優(yōu)點（1）運行MSTP之后，在交換機A上可以基于VLAN來阻斷或者開放轉(zhuǎn)發(fā)資源ABADCBVLAN3VLAN2MSTP的優(yōu)點（2）承載VLAN2的拓撲承載VLAN3的拓撲ABADCBABADCBMSTP中的優(yōu)勢MSTP（MultipleSpanningTreeProtocol）即多生成樹協(xié)議MSTP模式增加了實例和VLAN映射的概念，還提供了VLAN環(huán)境的快速聚合和負載均衡。在MSTP模式下，可以存在多個spanning-tree實例，端口在不同VLAN下的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)可以不同。MSTP中的基本概念1、MSTI多生成樹實例(Multiplespanningtreeinstance)每個實例對應(yīng)一個或一組VLAN每個VLAN只能對應(yīng)一個實例(映射)每個交換機可以運行多個實例(MSTID:1-16)沒有配置VLAN與實例的映射關(guān)系時，所有VLAN映射到實例0實例是“MST域”內(nèi)的概念每個實例上分別計算各自的生成樹，互不干擾每個實例的生成樹的算法與RSTP基本相同每個實例的生成樹可以有不同的根，不同的拓撲每個實例各自發(fā)自己的BPDU每個實例的拓撲可以人為通過配置來確定每個端口在不同實例上的生成樹參數(shù)可以不同每個端口在不同實例上的角色、狀態(tài)可能不同MSTP中的基本概念2、MST區(qū)域（MSTregion）每一個MST區(qū)域由一個或幾個具有相同MST配置ID（MCID）的相連網(wǎng)橋組成，它們啟用相同的多個實例。用戶可以通過MSTP配置命令把多臺具有相同特征的交換機劃分在同一個MST域內(nèi)。也就是MST域（MultipleSpanningTreeRegions，多生成樹域）。MSTP中的基本概念3、MST配置ID（MCID）具有相同的MCID的MST橋?qū)儆谙嗤腗ST域，它由四部分組成：FormatSelector：0（無需配置）ConfigurationName：32字節(jié)字符串（網(wǎng)橋MAC）RevisionLevel：2字節(jié)非負整數(shù)（0）ConfigurationDigest：利用HMAC-MD5算法將域中VLAN和實例的映射關(guān)系加密成16字節(jié)的摘要MSTP中的基本概念4、CST公共生成樹(Commonspanningtree)：把每個區(qū)域看成一臺交換機，這樣，區(qū)域之間就形成了一棵轉(zhuǎn)發(fā)樹，此樹稱為公共成生樹。MSTP中的基本概念5、IST內(nèi)部生成樹(Internal