第2章 管理局域網(wǎng)中的冗余鏈路

1、使用備份連接，可以提高網(wǎng)絡(luò)的健全性、穩(wěn)定性。 2VOD ServerPC2PC1SW1SW3SW2環(huán)路問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致：廣播風(fēng)暴、多幀復(fù)制及MAC地址表的不穩(wěn)定等問(wèn)題。3PC2PC1SW1SW3VOD ServerSW2 一個(gè)數(shù)據(jù)幀或包被傳輸?shù)奖镜鼐W(wǎng)段 (由廣播域定義)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是廣播；由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)和連接問(wèn)題，或其他原因?qū)е聫V播在網(wǎng)段內(nèi)大量復(fù)制，傳播數(shù)據(jù)幀，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。這就是廣播風(fēng)暴。 交換機(jī)在收到一個(gè)廣播貞時(shí)會(huì)以目標(biāo)MAC為全F的地址將其進(jìn)行泛洪，這些廣播信息將在網(wǎng)絡(luò)中不停地轉(zhuǎn)發(fā)，直到導(dǎo)致交換機(jī)出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)（如CPU過(guò)度使用，內(nèi)存耗盡等），最終耗盡所有帶寬資源、阻

2、塞錢網(wǎng)通信,所以在交換環(huán)路中會(huì)出現(xiàn)廣播風(fēng)暴。4 網(wǎng)絡(luò)中如果存在環(huán)路，目的主機(jī)可能會(huì)收到某個(gè)數(shù)據(jù)幀的多個(gè)副本，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致上層協(xié)議在處理這些數(shù)據(jù)幀時(shí)無(wú)從選擇，產(chǎn)生迷惑：究竟該處理哪個(gè)幀？嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接中斷。5 網(wǎng)絡(luò)中如果存在環(huán)路，當(dāng)交換機(jī)連接不同網(wǎng)段時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)通過(guò)不同端口接收到同一廣播幀的多個(gè)副本的情況。這一過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致MAC地址表的多次刷新。這種持續(xù)的更新、刷新過(guò)程會(huì)嚴(yán)重耗用內(nèi)存資源，影響該交換機(jī)的交換能力，同時(shí)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。嚴(yán)重時(shí)，將耗盡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源，并最終造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。6臨時(shí)關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)中冗余的鏈路7VOD ServerPC2PC1SW1SW3SW2生成樹協(xié)議（Spanni

3、ng-Tree Protocol,STP）IEEE802.1d標(biāo)準(zhǔn)；STP協(xié)議的主要思想就是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在備份鏈路時(shí)，只允許主鏈路激活，如果主鏈路因故障而被斷開后，備用鏈路才會(huì)被打開。生成樹協(xié)議的發(fā)展過(guò)程劃分成三代 第一代生成樹協(xié)議：STP/RSTP（基于端口的） 第二代生成樹協(xié)議：PVST/PVST+(基于vlan的cisco私有協(xié)議) 第三代生成樹協(xié)議： MISTP/MSTP（基于多實(shí)例）主要作用：避免回路，冗余備份。8自然界中生長(zhǎng)的樹是不會(huì)出現(xiàn)環(huán)路的 如果網(wǎng)絡(luò)也能夠像一棵樹一樣生長(zhǎng)就不會(huì)出現(xiàn)環(huán)路 STP協(xié)議中定義了根交換機(jī)（Root Bridge）、根端口（Root Port）、指定端口（

4、Designated Port）、路徑開銷（Path Cost）等概念，目的就在于通過(guò)構(gòu)造一棵自然樹的方法達(dá)到阻塞冗余環(huán)路的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鏈路備份和路徑最優(yōu)化。 用于構(gòu)造這棵樹的算法稱為生成樹算法STA（Spanning Tree Algorithm） 9要實(shí)現(xiàn)STP，交換機(jī)之間通過(guò)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU進(jìn)行信息的交流。STP BPDU是一種二層報(bào)文，目的MAC是組播地址01-80-C2-00-00-00，所有支持STP協(xié)議的交換機(jī)都會(huì)接收并處理收到的BPDU報(bào)文。該報(bào)文用于生成樹。包括 Bridge ID：每個(gè)交換機(jī)唯一的橋ID，由橋優(yōu)先級(jí)和Mac地址組合而成； Root path cost

5、：交換機(jī)到根交換機(jī)的路徑花費(fèi)，以下簡(jiǎn)稱根路徑花費(fèi)； Port ID：每個(gè)端口ID，由端口優(yōu)先級(jí)和端口號(hào)組合而成； BPDU：交換機(jī)之間通過(guò)交換BPDU（Bridge Protocol Data Units，交換機(jī)協(xié)議數(shù)據(jù)單元）幀來(lái)獲得建立最佳樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需要的信息。10每個(gè)BPDU由以下這些要素組成： Root Bridge ID（本交換機(jī)所認(rèn)為的根交換機(jī)ID）； Root Path Cost（本交換機(jī)的根路徑花費(fèi)）； Bridge ID（本交換機(jī)的橋ID）； Port ID（發(fā)送該報(bào)文端口ID）； Message age（報(bào)文已存活的時(shí)間）； Forward-Delay Time（發(fā)送延時(shí)

6、）、Hello Time（BPDU發(fā)送間隔）、Max-Age Time（BPDU最大保留時(shí)間）三個(gè)協(xié)議規(guī)定的時(shí)間參數(shù)；111.網(wǎng)絡(luò)中選擇了一個(gè)交換機(jī)為根交換機(jī)（Root Bridge）；2.除根交換機(jī)外的每個(gè)交換機(jī)都有一個(gè)根口（Root Port），即提供最短路徑到Root Bridge的端口；3.每個(gè)交換機(jī)都計(jì)算出了到根交換機(jī)（Root Bridge）的最短路徑；4.每個(gè)LAN都有了指定交換機(jī)（Designated Bridge），位于該LAN與根交換機(jī)之間的最短路徑中。指定交換機(jī)和LAN相連的端口稱為指定端口（Designated port）；5.根口（Roor port）和指定端口（De

7、signated port）進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)Forwarding狀態(tài)；6.其他的冗余端口就處于阻塞狀態(tài)（Blocking或Discarding）。 12Bridge ID最小的交換機(jī)為根交換機(jī)；Bridge ID：每個(gè)交換機(jī)唯一的橋ID，由交換機(jī)優(yōu)先級(jí)和Mac地址組合而成；交換機(jī)優(yōu)先級(jí)和Mac地址越小則Bridge ID就越小。如果交換機(jī)優(yōu)先級(jí)的優(yōu)先級(jí)相同，再比較Mac地址。13SW！SW3SW214 帶寬 IEEE802.1d IEEE802.1w - 10Mbps 100 2000000 100Mbps 19 200000 1000Mbps 4 20000 其他交換機(jī)將各自選擇一條 “最粗壯”的樹

8、枝作為到根交換機(jī)的路徑，相應(yīng)端口的角色就成為根端口假設(shè)SwA為根交換機(jī) 1510019路徑開銷為19SwBSwASwCSwDSwE1001938100 生成樹的選舉過(guò)程中，應(yīng)遵循以下優(yōu)先順序來(lái)選擇最佳路徑： 1.比較Root path cost； 2.比較Senders bridge ID； 3.比較Senders port ID； 4.比較本交換機(jī)的port ID。 16 已知：Sw D交換機(jī)為根交換機(jī)，假設(shè)圖中所示鏈路均為百兆鏈路，且交換機(jī)均為默認(rèn)優(yōu)先級(jí)32768和默認(rèn)端口優(yōu)先級(jí)128。交換機(jī)A、B的路徑開銷Root path cost相等，C-A-ROOT和C-B-ROOT的路徑開銷Ro

9、ot path cost相等，選擇C-ROOT的最佳路徑？ 17 8Mac:00d0f80000f1 2Sw CSw BSw DSw AMac:00d0f80000d1Mac:00d0f80000f2在交換機(jī)A與交換機(jī)C增加一條備份鏈路要比較Senders port ID 187 8Mac:00d0f80000f1 1 2Sw CSw BSw DSw AMac:00d0f80000d1在交換機(jī)A、C之間增加一HUB相連接比較本交換機(jī)的port ID 197 Mac:00d0f80000f161 2Sw CSw BSw DSw AHUBMac:00d0f80000d18STP協(xié)議的缺陷主要表現(xiàn)在

10、收斂速度上 當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化，新的BPDU要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)延才能傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)時(shí)延稱為Forward Delay，協(xié)議默認(rèn)值是15秒。 在所有交換機(jī)收到這個(gè)變化的消息之前，若舊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中處于轉(zhuǎn)發(fā)的端口還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自己應(yīng)該在新的拓?fù)渲型Ｖ罐D(zhuǎn)發(fā)，則可能存在臨時(shí)環(huán)路。20為了解決臨時(shí)環(huán)路的問(wèn)題，生成樹使用了一種定時(shí)器策略，即在端口從阻塞狀態(tài)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)中間加上一個(gè)只學(xué)習(xí)MAC地址但不參與轉(zhuǎn)發(fā)的中間狀態(tài)，兩次狀態(tài)切換的時(shí)間長(zhǎng)度都是Forward Delay，這樣就可以保證在拓?fù)渥兓臅r(shí)候不會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)環(huán)路。 但是，這個(gè)看似良好的解決方案實(shí)際上帶來(lái)的卻是至少兩倍Forward Delay的收斂時(shí)間 21He

11、llo timer（BPDU發(fā)送間隔）：定時(shí)發(fā)送BPDU報(bào)文的時(shí)間間隔。默認(rèn)為2秒。Forward-Delay timer（發(fā)送延遲）：端口狀態(tài)改變的時(shí)間間隔。當(dāng)RSTP協(xié)議以兼容STP協(xié)議模式運(yùn)行時(shí)，端口從listening轉(zhuǎn)變向learning，或者從learning轉(zhuǎn)向forwarding狀態(tài)的時(shí)間間隔。默認(rèn)為15秒。 Max-Age timer（最大保留時(shí)間）：BPDU報(bào)文消息生存的最長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)超出這個(gè)時(shí)間，報(bào)文消息將被丟棄。默認(rèn)為20秒。 22三個(gè)計(jì)時(shí)器 20秒15秒15秒時(shí)間Blocking(阻塞)Listening(偵聽)Learning(學(xué)習(xí))發(fā)送延遲Forwarding(發(fā)送

12、)發(fā)送延遲快速生成樹協(xié)議RSTP(Rapid Spannning Tree Protocol) IEEE 802.1w RSTP協(xié)議在STP協(xié)議基礎(chǔ)上做了三點(diǎn)重要改進(jìn)，使得收斂速度快得多（最快1秒以內(nèi)）。 23第一點(diǎn)改進(jìn)：為根端口和指定端口設(shè)置了快速切換用的替換端口（Alternate Port）和備份端口（Backup Port）兩種角色，當(dāng)根端口/指定端口失效的情況下，替換端口/備份端口就會(huì)無(wú)時(shí)延地進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。 第二點(diǎn)改進(jìn)：在只連接了兩個(gè)交換端口的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路中，指定端口只需與下游交換機(jī)進(jìn)行一次握手就可以無(wú)時(shí)延地進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。 第三點(diǎn)改進(jìn)：直接與終端相連而不是把其他交換機(jī)相連的端口定義為邊

13、緣端口（Edge Port）。邊緣端口可以直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，不需要任何延時(shí)。 24 Root port：具有到根交換機(jī)的最短路徑的端口。 Designated port：每個(gè)LAN的通過(guò)該口連接到根交換機(jī)。 Alternate port：根端口的替換口，一旦根端口失效，該口就立刻變?yōu)楦丝凇?Backup port：Designated port的備份口，當(dāng)一個(gè)交換機(jī)有兩個(gè)端口都連接在一個(gè)LAN上，那么高優(yōu)先級(jí)的端口為Designated port，低優(yōu)先級(jí)的端口為Backup port。 Undesignated port：當(dāng)前不處于活動(dòng)狀態(tài)的口，即OperState為down的端口都被分配

14、了這個(gè)角色。 2526 每個(gè)端口有三個(gè)狀態(tài)（port state）來(lái)表示是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而控制著整個(gè)生成樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 Discarding：既不對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也不進(jìn)行源Mac地址學(xué)習(xí)。 Learning：不對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但進(jìn)行源Mac地址學(xué)習(xí)，這是個(gè)過(guò)渡狀態(tài)。 Forwarding：既對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也進(jìn)行源Mac地址的學(xué)習(xí)。 對(duì)一個(gè)已經(jīng)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，只有Root port和Designated port才會(huì)進(jìn)入Forwarding狀態(tài)，其它端口都只能處于Discarding狀態(tài)。 27 假設(shè)Switch A、B、C的bridge ID是遞增的，即Switch A的優(yōu)先級(jí)最

15、高。A與B間是千兆鏈路，B和C間為百兆鏈路，A和C間為十兆鏈路。 2829303132RSTP協(xié)議提供了protocol-migration功能來(lái)強(qiáng)制發(fā)RSTP BPDU 33 1.Forwarding端口-最優(yōu)路徑； 2.Discarding端口-備份鏈路，備份端口-用于指定端口到生成樹葉子節(jié)點(diǎn)的路徑的備份，僅在到共享LAN網(wǎng)段有2個(gè)或2個(gè)以上連接，或2個(gè)端口通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接為環(huán)路時(shí)存在； 3.Discarding狀態(tài)端口充當(dāng)兩種角色（alternatePort，backupPort），從alternatePort，backupPort中選擇到達(dá)Root的次優(yōu)路徑； 4.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生

16、變化以后立刻轉(zhuǎn)發(fā)(收斂時(shí)間小于1秒)。 34Spanning Tree 的缺省配置： 關(guān)閉STP，且STP Priority 是32768，STP port Priority 是128。 STP port cost 根據(jù)端口速率自動(dòng)判斷； Hello Time 2秒； Forward-delay Time 15秒； Max-age Time 20秒； 可通過(guò)spanning-tree reset 命令讓 spanning tree參數(shù)恢復(fù)到缺省配置。 35Switch(config)#Spanning-tree如果您要關(guān)閉Spanning Tree協(xié)議，可用no spanning-tree 全

17、局配置命令進(jìn)行設(shè)置。 36Switch(config)#Spanning-tree mode STP/RSTP37Switch(config)#spanning-tree priority (“0”或“4096”的倍數(shù)、共16個(gè)、缺省32768) 如果要恢復(fù)到缺省值，可用 nospanning-tree priority全局配置命令進(jìn)行設(shè)置。 38Switch(config-if)#spanning-tree port-priority (“0”或“16”的倍數(shù)、共16個(gè)、缺省128) 如果要恢復(fù)到缺省值，可用 no spanning-tree port-priority接口配置命令進(jìn)行設(shè)置。

18、 39SwitchA#show spanning-tree ！顯示交換機(jī)生成樹的狀態(tài) SwitchA#show spanning-tree interface fastthernet 0/1 ！顯示交換機(jī)接口 40網(wǎng)絡(luò)壓力 對(duì)于局域網(wǎng)交換機(jī)之間以及從交換機(jī)到高需求服務(wù)的許多網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)說(shuō)，100M甚至1Gbps的帶寬是不夠的。 鏈路聚合技術(shù)（也稱端口聚合）幫助用戶減少了這種壓力。41 802.3ad 標(biāo)準(zhǔn)定義了如何將兩個(gè)以上的以太網(wǎng)鏈路組合起來(lái)為高帶寬網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)負(fù)載共享、負(fù)載平衡以及提供更好的彈性。 42 端口聚合將交換機(jī)上的多個(gè)端口在物理上連接起來(lái)，在邏輯上捆綁在一起，形成一個(gè)擁有較大寬帶的

19、端口，形成一條干路，可以實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)載，并提供冗余鏈路。 43 aggregate port （以下簡(jiǎn)稱AP），符合IEEE802.3ad標(biāo)準(zhǔn)。它可以把多個(gè)端口的帶寬疊加起來(lái)使用，比如全雙工快速以太網(wǎng)端口形成的AP 最大可以達(dá)到800Mbps，或者千兆以太網(wǎng)接口形成的AP最大可以達(dá)到8Gbps。 4445 1、鏈路聚合技術(shù)（也稱端口聚合）幫助用戶減少了這種壓力。 2、802.3ad的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性。 3、鏈路聚合標(biāo)準(zhǔn)在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上提供了固有的、自動(dòng)的冗余性。 46 AP根據(jù)報(bào)文的MAC地址或IP地址進(jìn)行流量平衡，即把流量平均地分配到AP的成員鏈路中去。流量平衡可以根據(jù)源MAC地址、目的MAC地址或源IP地址/目的IP地址對(duì)。 4748配置二層aggregate