HCIA-生成數協議(STP)

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本篇筆記是根據B站上的視頻教程整理而成,感謝UP主的精彩講解!如果需要了解更多細節,可以參考以下視頻:

https://www.bilibili.com/video/BV1rdT6zQEMg/?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=e539f90574cdb0bc2bc30a8b5cb3fc00&p=6https://www.bilibili.com/video/BV1rdT6zQEMg/?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=e539f90574cdb0bc2bc30a8b5cb3fc00&p=6https://www.bilibili.com/video/BV1rdT6zQEMg/?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=e539f90574cdb0bc2bc30a8b5cb3fc00&p=6https://www.bilibili.com/video/BV1rdT6zQEMg/?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=e539f90574cdb0bc2bc30a8b5cb3fc00&p=6https://www.bilibili.com/video/BV1rdT6zQEMg/?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=e539f90574cdb0bc2bc30a8b5cb3fc00&p=6https://www.bilibili.com/video/BV1rdT6zQEMg/?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=e539f90574cdb0bc2bc30a8b5cb3fc00&p=6


一、生成樹技術概述

背景:二層交換機網絡的冗余性與環路、人為導致的二層環路帶來:廣播風暴、MAC地址漂移

1、生成樹協議

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在網絡中部署生成樹協議后,交換機會通過交互生成樹協議報文進行無環拓撲計算,最終阻塞某些接口以打破環路

2、生成樹能動態響應網絡拓撲變化調整阻塞接口

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生成樹協議持續監控網絡拓撲結構,當拓撲發生變化時,能自動感知并調整。它既能解決二層環路問題,也為網絡的冗余性提供了方案

3、二層及三層環路

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4、STP概述

STP用于局域網中消除環路,通過設備間交互信息發現環路并阻塞某些接口以消除環路。它持續監控網絡狀態,感知拓撲變更并自動響應,適應新的拓撲結構,保證網絡可靠性。隨著局域網規模增長,STP已成為最重要的局域網協議之一

二、STP的基本概念及工作原理

1、STP的基本概念

(1)橋ID

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  • BID構成:由16位的橋優先級(Bridge Priority)與橋MAC地址構成,橋優先級需是4096倍數,且默認優先級是32768
  • 唯一性:每一臺運行STP的交換機都擁有一個唯一的BID
  • 結構:BID中橋優先級占據高16bit,其余的低48bit是橋MAC地址
  • 根橋選舉:在STP網絡中,BID最小的設備會被選舉為根橋

此處網橋(Bridge),或者橋也就是交換機

(2)根橋

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  • STP樹的樹根:STP的主要作用之一是計算出一棵無環的"樹"(STP樹),根橋是這棵樹的“樹根”。
  • 拓撲計算參考點:根橋是STP計算得出的無環拓撲的“樹根”,是生成樹進行拓撲計算的重要“參考點”。
  • 根橋選舉規則
    • 在STP網絡中,橋ID最小的設備會被選舉為根橋
    • 比較BID時,首先比較橋優先級,值越小越優先。
    • 如果優先級相等,則比較MAC地址,擁有最小MAC地址的交換機會成為根橋。
(3)Cost
  • Cost作用:每個激活了STP的接口維護一個cost值,用于計算到達根橋的根路徑開銷
  • Cost影響因素
    • 與接口的速率工作模式有關。
    • 與交換機使用的STP Cost計算方法有關。
  • Cost與帶寬關系:接口帶寬越大,Cost值越小
  • Cost調整:用戶可以根據需要通過命令調整接口的cost
(4)RPC

在STP中,根路徑開銷(RPC)是到達根橋的總成本,由沿途接口的Cost累加計算。RPC決定最佳路徑選擇,影響網絡性能

(5(Port ID)

接口ID(Port ID,PID):STP中用于標識交換機接口,主要用于選舉指定接口。由接口優先級(高4位)和接口編號(低12位)構成。默認接口優先級通常為128,但用戶可修改

(6)BPDU

BPDU(Bridge Protocol Data Unit,網橋協議數據單元):STP正常工作的基礎,是STP的協議報文。STP交換機通過交互BPDU報文來交換重要信息,確保STP順利進行。BPDU有兩種類型:

  • 配置BPDU(Configuration BPDU):STP進行拓撲計算的關鍵。
  • TCN BPDU(Topology Change Notification BPDU):僅在網絡拓撲發生變更時觸發。

配置BPDU的報文格式:略

配置BPDU的比較原則:STP按以下順序選擇最優的配置BPDU:1、最小的根橋ID。2、最小的RPC。3、最小的網橋ID。4、最小的接口ID

配置BPDU的轉發過程:

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2、STP的計算過程

(1)選舉根橋

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  • 每個交換機發送配置BPDU,包含自己的橋ID。
  • 網絡中橋ID最小的交換機成為根橋
  • 根橋角色可搶占,建議提前規劃并設置橋優先級為0。
(2)選舉根接口

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  • 非根橋選舉一個接口為根接口,接收最優配置BPDU的接口(根路徑開銷(RPC)小
  • 根接口是“朝向”根橋的接口

(3)選舉指定接口

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  • 非根橋使用根接口上的最優BPDU與其他接口的BPDU比較(比較原則見上
  • 更優的為指定接口,否則為非指定接口
  • 根橋的所有接口通常都是指定接口
(4)阻塞非指定接口

非指定接口被阻塞,消除二層環路

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3、STP的接口狀態

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4、STP的接口狀態遷移

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5、拓撲變化

(1)根橋故障
  • SW1(根橋)發生故障,停止發送BPDU報文,SW2等待Max Age計時器(20秒)超時,確認BPDU失效且無法接收到新的BPDU,意識到上游故障
  • 非根橋互相發送配置BPDU,啟動新的根橋選舉
  • 選舉完成后,如SW3的A端口經過兩個Forward Delay(15秒)時間恢復轉發狀態
  • 根橋故障導致網絡恢復時間為約50秒,包括BPDU老化和新的根橋選舉時間
(2)物理鏈路故障
  • 當交換機SW2檢測到根端口的鏈路發生故障時,其備用端口會經過兩倍的Forward Delay(即30秒)時間后進入用戶流量轉發狀態
  • SW2在檢測到直連鏈路物理故障后,會將預備端口轉換為根端口
  • 直連鏈路故障后,備用端口將在30秒恢復轉發狀態,從而實現流量的重新導向
(3)非物理鏈路故障

非直連鏈路故障后,sW3的備用端口恢復到轉發狀態,非直連故障會導致50s左右的恢復時間

6、拓撲改變導致MAC地址表錯誤

  • 網絡拓撲結構變化可能引起MAC地址表不一致
  • 生成樹協議(STP)通過阻塞某些端口來避免環路,拓撲變更時,這些端口狀態改變可能導致MAC地址表更新
  • MAC地址漂移:拓撲改變后,原路徑不可用,數據包可能通過新路徑到達目的地,導致MAC地址表中記錄的端口信息過時
  • 需要老化機制來清除過時的MAC地址條目,更新為新的有效路徑
  • STP的TCN BPDU機制通知拓撲變化,觸發重新收斂過程,修正MAC地址表

三、STP的基礎配置

1、STP的基礎配置命令

?--生成樹工作模式[Huawei]stp mode { stp | rstp | mstp }?--(可選)配置根橋[Huawei]stp root primary--(可選)備份根橋[Huawei]stp root secondary--(可選)配置交換機的STP優先級[Huawei]stp priority /priority/     --缺省情況下,交換機取值是32768--(可選)配置接口路徑開銷[Huawei]stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }--設置當前接口的路徑開銷值[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost /cost/?--(可選)配置接口優先級[Huawei-intf]stp priority /priority/    --默認128?--啟動STP/RSTP/MSTP[Huawei]stp enable      --默認都是啟用狀態

2、案例

在下述三臺交換機上部署STP,以便消除網絡中的二層環路,通過配置,將SW1指定為根橋,并使SW3的G0/0/22接口被STP阻塞

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?--SW1配置:[SW1]stp mode stp[SW1]stp enable[SW1]stp priority 0?--SW2配置:[SW2]stp mode stp[SW2]stp enable[SW2]stp priority 4096?--SW3配置:[SW3]stp mode stp[SW3]stp enable

四、RSTP對STP的改進

1、STP的局限性

收斂速度慢、接口狀態與角色區分不足、角色與狀態的獨立性、被動算法、BPDU傳播

2、RSTP概述

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)是IEEE 802.1w標準定義的STP改進版本,具有更快的收斂速度且兼容STP。RSTP通過引入新接口角色優化了網絡性能,包括替代接口和備份端口,以快速響應根接口失效并提供備份路徑。狀態從STP的5種縮減至3種,基于端口是否轉發流量和學習MAC地址。此外,RSTP引入邊緣接口概念,允許直接連接終端設備的接口快速進入轉發狀態,從而提高網絡工作效率。

3、RSTP對STP的其他改進

配置BPDU處理優化、次等BPDU處理優化、配置BPDU格式改變、RSTP拓撲變化處理

4、端口角色不同

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5、邊緣端口

不再與任何交換設備連接,位于整個域的邊緣,這種端口叫做邊緣端口,邊緣端口一般與用戶終端設備直接連接,可以由Disabled狀態直接轉到Forwarding狀態

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6、端口狀態不同

  • ?如果不轉發用戶流量也不學習MAC地址,那么接口狀態就是Discarding狀態
  • 如果不轉發用戶流量但是學習MAC地址,那么接口狀態就是Learning狀態
  • 如果既轉發用戶流量又學習MAC地址,那么接口狀態就是Forwarding狀態

五、生成樹技術進階

1、STP/RSTP缺陷

所有VLAN共享一顆生成樹,因此無法在VLAN間實現數據流量的負載均衡,鏈路被阻塞后將不承載任何流量,還可能造成部分VLAN的報文無法轉發

2、VBST:基于VLAN的生成樹

華為公司提出的VBST (VLAN-Based Spanning Tree) 是一種基于VLAN的生成樹解決方案。該方案允許不同VLAN間形成相互獨立的生成樹,使得不同VLAN內的流量可以沿著各自的生成樹進行轉發。這種機制可以實現流量的負載分擔,提高網絡的效率和可靠性

3、MSTP概述

  • MSTP將交換網絡劃分為多個,每個域內形成多棵生成樹,各生成樹相互獨立。
  • 每棵生成樹稱為一個多生成樹實例(MSTI),即一組VLAN的集合對應的生成樹。
  • 通過將多個VLAN捆綁到一個實例,節省通信開銷和資源占用,實現負載均衡。
  • MSTP中各實例拓撲計算獨立,VLAN的轉發狀態取決于接口在對應實例的狀態。

4、堆疊與園區網絡樹形結構組網形態

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5、Smart Link

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