項(xiàng)目3 局域網(wǎng)冗余技術(shù)

《網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)檫@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(xiàng)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(xiàng)：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(xiàng)，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(xiàng)，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(xiàng)，生成一個新的MAC表項(xiàng):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?yàn)閺闹行臉虻饺魏尉W(wǎng)段只有一個路徑存在，所以橋回路被消除。要實(shí)現(xiàn)生成樹的功能，交換機(jī)之間傳遞BPDU報文實(shí)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)。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(xiàng)，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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)會被自動清除。此后，交換機(jī)LSW3就能重新開始MAC表項(xiàng)的學(xué)習(xí)及轉(zhuǎn)發(fā)操作。任務(wù)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)后向兼容的，但在實(shí)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(shí)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?，定義了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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖偈諗?，大約需要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(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖偈諗俊５捎诰钟蚓W(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(shí)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(shí)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(shí)例映射配置；具有相同的MSTP修訂級別配置。所謂實(shí)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(shí)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(shí)例的計算過程相互獨(dú)立，使用多個實(shí)例可以實(shí)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(shí)例之后，這些VLAN在端口上