第十章 網(wǎng)絡(luò)共享的連接器—交換機(jī)基本配置

1、第10章 STP10.1 STP理論指導(dǎo)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期，透明網(wǎng)橋的運(yùn)用。它比只會(huì)放大和廣播信號(hào)的集線器聰明得多。它的學(xué)習(xí)能力是把發(fā)向它的數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和端口號(hào)記錄下來，下次碰到這個(gè)目的MAC地址的報(bào)文就只從記錄中的端口號(hào)發(fā)送出去，除非目的MAC地址沒有記錄在案或者目的MAC地址本身就是多播地址才會(huì)向所有端口發(fā)送。通過透明網(wǎng)橋，不同的局域網(wǎng)之間可以實(shí)現(xiàn)互通，網(wǎng)絡(luò)可操作的范圍得以擴(kuò)大，而且由于透明網(wǎng)橋具備MAC地址學(xué)習(xí)功能而不會(huì)像Hub那樣造成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文沖撞泛濫。透明網(wǎng)橋也有它的缺陷，它的缺陷就在于它的透明傳輸。透明網(wǎng)橋并不能像路由器那樣知道報(bào)文可以經(jīng)過多少次轉(zhuǎn)發(fā)，一旦網(wǎng)絡(luò)存在環(huán)路就會(huì)造成報(bào)文

2、在環(huán)路內(nèi)不斷循環(huán)和增生，出現(xiàn)廣播風(fēng)暴。為了解決這一問題，后來提出了生成樹協(xié)議。10.1.1 STPSTP（Spanning Tree Protocol）是生成樹協(xié)議的英文縮寫。該協(xié)議可應(yīng)用于環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，通過一定的算法實(shí)現(xiàn)路徑冗余，同時(shí)將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)，從而避免報(bào)文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無限循環(huán)。STP的基本思想就是生成“一棵樹”，樹的根是一個(gè)稱為根橋的交換機(jī)，根據(jù)設(shè)置不同，不同的交換機(jī)會(huì)被選為根橋，但任意時(shí)刻只能有一個(gè)根橋。由根橋開始，逐級(jí)形成一棵樹，根橋定時(shí)發(fā)送配置報(bào)文，非根橋接收配置報(bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)，如果某臺(tái)交換機(jī)能夠從兩個(gè)以上的端口接收到配置報(bào)文，則說明從該交換機(jī)到根有不止一條路徑

3、，便構(gòu)成了循環(huán)回路，此時(shí)交換機(jī)根據(jù)端口的配置選出一個(gè)端口并把其他的端口阻塞，消除循環(huán)。當(dāng)某個(gè)端口長時(shí)間不能接收到配置報(bào)文的時(shí)候，交換機(jī)認(rèn)為端口的配置超時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡芤呀?jīng)改變，此時(shí)重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌匦律梢豢脴?。STP協(xié)議中定義了根橋（RootBridge）、根端口（RootPort）、指定端口（DesignatedPort）、路徑開銷（PathCost）等概念，目的就在于通過構(gòu)造一棵自然樹的方法達(dá)到裁剪冗余環(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SPA（Spanning TreeAlgorithm）。要實(shí)現(xiàn)這些功能，網(wǎng)橋之間必須要進(jìn)行一些信息的交流，這些

4、信息交流單元就稱為配置消息BPDU（BridgeProtocol Data Unit）。STP BPDU是一種二層報(bào)文，目的MAC是多播地址01-80-C2-00-00-00，所有支持STP協(xié)議的網(wǎng)橋都會(huì)接收并處理收到的BPDU報(bào)文。該報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹計(jì)算的所有有用信息。BPDU有兩種類型：配置BPDU和TCN BPDU配置BPDU：這種BPDU是所有端口上的根網(wǎng)橋以周期性間隔發(fā)出的,就是普通的BPDU配置BPDU只有根橋才發(fā),別人只是轉(zhuǎn)發(fā)。TCN BPDU 拓?fù)渥兏ǜ?這種BPDU是檢測(cè)到拓?fù)渥兏臅r(shí)發(fā)送。BPDU幀格式字節(jié)字段描述2協(xié)議ID該值總為11版本01消息類型BPD

5、U類型。配置BPDU=0 TCN BPDU=801標(biāo)志8根ID根網(wǎng)橋的橋ID4路徑開銷到達(dá)根橋的STP開銷8網(wǎng)橋IDBPDU發(fā)送網(wǎng)橋ID2端口IDBPDU發(fā)送網(wǎng)橋端口ID2最大壽命從根網(wǎng)橋發(fā)出BPDU的秒數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)交換機(jī)都減一，所以它本質(zhì)上是到達(dá)根橋的跳數(shù)2最大壽命網(wǎng)橋?qū)⒏鶚蚩醋霾豢捎弥氨Ａ舾鶚騃D的最大時(shí)間2HELLO時(shí)間根橋連續(xù)發(fā)送的BPDU之間的時(shí)間間隔2轉(zhuǎn)發(fā)延遲網(wǎng)橋在監(jiān)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)所停留的時(shí)間間隔首先進(jìn)行根橋的選舉。選舉的依據(jù)是網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)和網(wǎng)橋MAC地址組合成的橋ID（Bridge ID），橋ID最小的網(wǎng)橋?qū)⒊蔀榫W(wǎng)絡(luò)中的根橋。在網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)都一樣（默認(rèn)優(yōu)先級(jí)是32768）的情況下，

6、MAC地址最小的網(wǎng)橋成為根橋。根橋是擁有最小優(yōu)先級(jí)的交換機(jī)。選根網(wǎng)橋的目的是。以自己為根算出一條網(wǎng)絡(luò)中沒有環(huán)路的路徑。CISCO的交換機(jī)默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)是32768.算成二進(jìn)制是 1000 0000 0000 0000 。算成十六進(jìn)制是0*8000它的優(yōu)先級(jí)取值范圍是0-65535的中值。因?yàn)镸AC地址是唯一的。所以網(wǎng)橋ID也總是唯一的。網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)MAC地址在交換網(wǎng)絡(luò)里使用網(wǎng)橋ID唯一的標(biāo)識(shí)網(wǎng)橋或交換機(jī)，網(wǎng)橋ID優(yōu)先級(jí)值（2byte）MAC地址（6byte）。思科的交換機(jī)使用分配給背板或監(jiān)控模塊的MAC地址池中的某個(gè)MAC地址，使用show module mod-no可以顯示所分配的MAC地址。接

7、下來，確定根端口，根據(jù)與根橋連接路徑開銷最少的端口為根端口，路徑開銷等于1000除于傳輸介質(zhì)的速率假設(shè)SW1和根橋之間的鏈路是千兆鏈路，跟橋和SW3之間的鏈路是百兆鏈路，SW3從端口1到根橋的路徑開銷的默認(rèn)值是19，而從端口2經(jīng)過SW1到根橋的路徑開銷是4+4=8，所以端口2成為根端口，進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài).根橋和根端口都確定之后然后是裁剪冗余的環(huán)路。這個(gè)工作是通過阻塞非根橋上相應(yīng)端口來實(shí)現(xiàn)的。生成樹經(jīng)過一段時(shí)間（默認(rèn)值是30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)。STPBPDU仍然會(huì)定時(shí)從各個(gè)網(wǎng)橋的指定端口發(fā)出，以維護(hù)鏈路的狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，生成樹就會(huì)重新計(jì)算，端口狀

8、態(tài)也會(huì)隨之改變。當(dāng)然生成樹協(xié)議還有很多內(nèi)容，其他各種改進(jìn)型的生成樹協(xié)議都是以此為基礎(chǔ)的，基本思想和概念都大同小異。STP協(xié)議給透明網(wǎng)橋帶來了新生。但是它還是有缺點(diǎn)的，STP協(xié)議的缺陷主要表現(xiàn)在收斂速度上。當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化，新的配置消息要經(jīng)過一定的時(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。在所有網(wǎng)橋收到這個(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。為了解決臨時(shí)環(huán)路的問題，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

9、長度都是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)際上帶來的卻是至少兩倍Forward Delay的收斂時(shí)間。10.1.2 RSTP為了解決STP協(xié)議的這個(gè)缺陷，在世紀(jì)之初IEEE推出了802.1w標(biāo)準(zhǔn)，作為對(duì)802.1D標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。在IEEE 802.1w標(biāo)準(zhǔn)里定義了快速生成樹協(xié)議RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）。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)）。l 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

10、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)無時(shí)延地進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。l 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網(wǎng)橋進(jìn)行一次握手就可以無時(shí)延地進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。如果是連接了三個(gè)以上網(wǎng)橋的共享鏈路，下游網(wǎng)橋是不會(huì)響應(yīng)上游指定端口發(fā)出的握手請(qǐng)求的，只能等待兩倍Forward Delay時(shí)間進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。l 第三點(diǎn)改進(jìn)：直接與終端相連而不是把其他網(wǎng)橋相連的端口定義為邊緣端口（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)。由于網(wǎng)橋無法知道端口是否是直接與終端相連，所以需要人工配置?？梢姡琑STP協(xié)議相對(duì)于ST

11、P協(xié)議的確改進(jìn)了很多。為了支持這些改進(jìn)，BPDU的格式做了一些修改，但RSTP協(xié)議仍然向下兼容STP協(xié)議，可以混合組網(wǎng)。雖然如此，RSTP和STP一樣同屬于單生成樹SST（SingleSpanning Tree），有它自身的諸多缺陷，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。l 第一點(diǎn)缺陷：由于整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)只有一棵生成樹，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致較長的收斂時(shí)間，拓?fù)涓淖兊挠绊懨嬉草^大。l 第二點(diǎn)缺陷：在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的情況下，單生成樹也沒什么大礙。但是，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的時(shí)候，單生成樹就會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。l 第三點(diǎn)缺陷：當(dāng)鏈路被阻塞后將不承載任何流量，造成了帶寬的極大浪費(fèi)，這在環(huán)行城域網(wǎng)的情況下比較明顯。這些缺

12、陷都是單生成樹SST無法克服的，于是支持VLAN的多生成樹協(xié)議出現(xiàn)了。10.2 實(shí)驗(yàn)1: STP和PVST1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆战粨Q機(jī)STP的配置方法，理解STP協(xié)議的原理及其在冗余鏈路中的工作過程。2、虛擬場(chǎng)景公司有兩臺(tái)交換機(jī)由雙鏈路連接，配置STP以使這兩臺(tái)交換機(jī)正常工作而不產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。3、實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D10-1 實(shí)驗(yàn)1,2拓?fù)鋱D4、實(shí)驗(yàn)步驟步驟1：按照網(wǎng)絡(luò)連接圖完成設(shè)備連接，為防止實(shí)驗(yàn)過程中由于冗余鏈路可能導(dǎo)致的廣播風(fēng)暴的影響，可以在完成設(shè)備STP配置之后連接交換機(jī)的冗余鏈路；步驟2：在每臺(tái)交換機(jī)上啟動(dòng)生成樹協(xié)議，例如在SwitchA上進(jìn)行配置：SwitchA# configure termin

13、alSwitchA(config)# spanning-tree/開啟生成樹協(xié)議SwitchA(config)# spanning-tree mode stp/設(shè)置生成樹為STP（802.1D）SwitchA(config)# end完成SwitchA的配置后，在SwitchB上也做相同設(shè)置；步驟3：配置SwitchA為根交換機(jī)：當(dāng)使用默認(rèn)配置時(shí)，SwitchA和SwitchB的交換機(jī)優(yōu)先級(jí)為32768，兩者中MAC地址小的將成為根交換機(jī)。我們可以通過更改交換機(jī)優(yōu)先級(jí)來指定其中的一臺(tái)為根交換機(jī)。SwitchA (config)# spanning-tree priority 4096/設(shè)置Sw

14、itchA的優(yōu)先級(jí)為4096完成配置后可以使用show spanning-tree和show spanning-tree interface驗(yàn)證.SwitchA# show spanning-tree /顯示交換機(jī)的生成樹模式及相關(guān)狀態(tài)stpVersion: STP /STP的版本為STPSysStpStatus: Enabled /STP系統(tǒng)狀態(tài)為啟動(dòng)（打開）BaseNumPort: 24 /基本端口數(shù)為24Maxage: 20 /BPDU生存的最長時(shí)間HelloTime: 2 /BPDU報(bào)文的時(shí)間間隔ForwardDelay: 15 /端口狀態(tài)改變的時(shí)間間隔BridgeMaxAge: 20

15、 BridgeHelloTime: 2 BridgeForwardDelay: 15 MaxHops: 20 /最大中繼跳數(shù)TxHoldCount: 3 PathCostMethod: Long /路徑開銷方式BPDUGuaed: Disabled /BPDU保護(hù)未啟動(dòng)BPDUFilter: Disabled /BPDU過濾未啟動(dòng)BridgeAddr : 00d0.f8c0.2224 /橋MAC地址Priority: 4096 /優(yōu)先級(jí)為4096TimeSinceTopologyChange: 0d:0h:3m:9s /拓?fù)涓淖兊臅r(shí)間TopologyChanges: 19DesignateRo

16、ot: 100000D0F8C02224 /指定根RootCost: 0 /根開銷RootPort: 0 /根端口SwitchB# show spanning-tree interface fastEthernet 0/1 /顯示Fa0/1接口STP狀態(tài)PortAdiminPortfast: Disabled PortOperPortfast: Disabled PortAdiminLinkType: auto PortOperLinkType: point-to-pointPortBPDUGuaed: Disabled:PortBPDUFilter: DisabledPortState: f

17、orwarding /Fa0/1接口狀態(tài)為轉(zhuǎn)發(fā)PortPriority: 128 /端口優(yōu)先級(jí)為128PortDesignateRoot: 100000D0F8C02224 /端口指定根PortDesignatedCost: 0PortDesignatedBridge : 100000D0F8C02224PortDesignatedPort: 8001 /指定端口為8001PortForwardingTransitions: 2 PortAdiminPathCost: 0 PortOperPathCost: 200000 PortRole: rootPort /端口角色為根端口步驟4：配置PC

18、1和PC2的IP地址，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，ping 的丟失包的情況：用ping命令從PC1連續(xù)探測(cè)PC2，命令如下：C:ping 1 t / 連續(xù)探測(cè)PC2,顯示結(jié)果如下：Reply from 1 bytes=32 times<10ms TTL=64Reply from 1 bytes=32 times<10ms TTL=64Reply from 1 bytes=32 times<10ms TTL=64Reply from 1 bytes=32 times<10ms TTL=64Reply from 1 bytes=32 times<10ms TTL=64可以

19、正常ping通。5、實(shí)驗(yàn)調(diào)試及注意事項(xiàng)斷開交換機(jī)的F0/1與F0/1連接，觀察ping 的執(zhí)行情況，可以發(fā)現(xiàn)會(huì)丟失若干個(gè)包，顯示Request timed out，一段時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)連通。10.3 實(shí)驗(yàn)2: RSTP1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫饪焖偕蓸鋮f(xié)議RSTP的原理，掌握其配置方法。2、虛擬場(chǎng)景現(xiàn)要將上面實(shí)驗(yàn)中兩臺(tái)交換機(jī)的協(xié)議由STP改為RSTP，觀察交換機(jī)及PC的變化有何異同。3、實(shí)驗(yàn)拓?fù)淙鐖D10-14、實(shí)驗(yàn)步驟步驟1：基本要求同上一次實(shí)驗(yàn)步驟2：在每臺(tái)交換機(jī)上啟動(dòng)快速生成樹協(xié)議，例如在SwitchA上進(jìn)行配置：SwitchA# configure terminalSwitchA(config)# spanning-tree/開啟生成樹協(xié)議SwitchA(config)# spanning-tree mode rstp/設(shè)置生成樹為RSTP（802.1W）SwitchA(config)# end完成SwitchA的配置后