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第 8 讲 局域网中的冗余链路（ 1 ）

第 8 讲 局域网中的冗余链路（ 1 ）. 学习目标. 通过本讲的学习，希望您能够： 理解局域网的冗余拓扑 理解交换环路带来的问题 理解生成树协议 理解快速生成树协议 掌握 STP 与 RSTP 的配置. 本讲内容. 冗余拓扑 生成树协议 快速生成树协议 STP 与 RSTP 的配置. 课程议题. 冗余拓扑. 网络中存在的单点故障. 故障. 网络中的单点故障可导致网络的无法访问. 交换网络中的冗余拓扑 ( 链路 ). 故障. 在网络中提供冗余链路解决单点故障问题. 冗余链路出现的问题 -- 环路. 广播风暴. 发送一个广播帧.

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第 8 讲 局域网中的冗余链路（ 1 ）

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Presentation Transcript

  1. 第8讲 局域网中的冗余链路（1）

  2. 学习目标 • 通过本讲的学习，希望您能够： • 理解局域网的冗余拓扑 • 理解交换环路带来的问题 • 理解生成树协议 • 理解快速生成树协议 • 掌握STP与RSTP的配置

  3. 本讲内容 • 冗余拓扑 • 生成树协议 • 快速生成树协议 • STP与RSTP的配置

  4. 课程议题 冗余拓扑

  5. 网络中存在的单点故障 故障 网络中的单点故障可导致网络的无法访问

  6. 交换网络中的冗余拓扑(链路) 故障 在网络中提供冗余链路解决单点故障问题

  7. 冗余链路出现的问题--环路 广播风暴 发送一个广播帧 冗余链路会造成网络环路,当交换网络中出现环路会产生广播风暴、多帧复制和MAC地址表不稳定等现象。严重影响网络正常运行。

  8. 冗余拓扑出现的问题--环路 • 减少单点故障，增加网络可靠性 • 产生交换环路，会导致： • 广播风暴 • 多帧复制 • MAC地址表抖动 SW1 SW2 F0/2 F0/2 F0/1 F0/1 文件服务器 F0/2 F0/1 SW3

  9. 广播风暴 • 广播信息在网络中不停地转发，直至导致交换机出现超负荷运转，最终耗尽所有带宽资源、阻塞全网通信 SW1 广播 F0/2 F0/1 主机A 广播 F0/2 F0/1 SW2 主机B

  10. 多帧复制 • 单播的数据帧被多次复制传送到目的站点 SW1 单播 F0/2 F0/1 主机A 单播 F0/2 F0/1 SW2 主机B

  11. MAC地址表抖动 • 由于相同帧的拷贝在交换机的不同端口上被接收而引起的 MAC地址表不稳定 ？ F0/1：主机B F0/2：主机B SW1 单播 F0/2 F0/1 主机A 单播 F0/2 F0/1 ？ SW2 主机B F0/1：主机A F0/2：主机A

  12. 环路问题的解决 主要链路正常时，断开备份链路 主要链路出故障时,自动启用备份链路

  13. 课程议题 生成树协议

  14. 生成树协议概述 • IEEE 802.1d STP（生成树协议，Spanning-Tree Protocol）协议： • 使冗余端口置于“阻塞状态” • 网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效 • 当这个链路出现故障时，将处于“阻塞状态”的端口重新打开，从而确保网络连接稳定可靠 SW1 SW2 F0/2 F0/2 F0/1 F0/1 F0/2 F0/1 SW3

  15. 生成树协议 • 生成树协议的作用是为了提供冗余链路，解决网络环路问题 • 生成树协议实现了在交换网络中通过SPA（生成树算法）生成一个没有环路的网络，当主要链路出现故障时，能够自动切换到备份链路，保证网络的正常通信。

  16. 生成树协议 • 生成树协议的分类 • 第一代生成树协议：STP/RSTP • 第二代生成树协议：PVST/PVST+ • 第三代生成树协议：MISTP/MSTP • 生成树协议标准: IEEE 802.1d标准定义了STP IEEE 802.1w标准定义了RSTP IEEE 802.1s标准定义了MSTP

  17. 生成树协议的BPDU • 交换机或者网桥之间周期性地发送STP的桥接协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit ，BPDU），用于实现STP的功能 • 每2秒发送一次的二层报文(数据帧) • 组播发送，组播地址为：01-80-C2-00-00-00 • 所有支持STP协议的交换机都会接收并处理收到的BPDU报文

  18. BPDU(桥接协议数据单元） Root Bridge ID:本交换机所认为的根交换机ID。 Protocol ID Cost of Path：路径开销是从Switch到Root Bridge的方向叠加的。 Version Message Type Bridge ID:本交换机的桥ID信息，由2字节的交换机优先级和6字节MAC地址组成。 Flags Root Bridge ID Port ID:发送该报文的端口信息，由1字节端口优先级和1字节端口ID组成。 Cost of Path Message Age:报文已存活时间。 Bridge ID Maximum Time:当一段时间未收到任何BPDU，生存期达到Max Age时，网桥则认为该端口连接的链路发生故障。默认20秒。 Port ID Message Age Maximum Time Hello Time:发送BPDU的周期。默认2秒。 Hello Time Forward Delay：BPDU全网传输延迟。默认15秒 Forward Delay

  19. BPDU的传播(STP实现方法) • STP刚启动时，每台交换机都认为自己是根网桥，向外泛洪BPDU • 当交换机的一个端口收到高优先级的BPDU（更小的Root BID或者更小的Root Path Cost等等）就在该端口保存这些信息，同时向所有端口更新并传播信息 • 如果收到比自己低优先级的BPDU，交换机就丢弃该信息

  20. 生成树工作机制 • BPDU传播的最终结果： • 网络中选择了一个交换机为根网桥（Root Bridge） • 每个交换机都计算到根网桥（Root Bridge）的最短路径 • 除根网桥外的每个交换机都有一个根端口（Root Port），即提供最短路径到Root Bridge的端口 • 每个LAN都有了指定交换机（Designated Bridge），位于该LAN与根交换机之间的最短路径中指定交换机和LAN相连的端口称为指定端口（Designated port） • 根端口（Roor port）和指定端口（Designated port）进入转发Forwarding状态 • 其他的冗余端口就处于阻塞状态（Blocking）

  21. STP的工作过程 • 第一步：选举一个根网桥； • 第二步：在每个非根网桥上选举一个根端口； • 第三步：在每个网段上选举一个指定端口； • 第四步：阻塞非根、非指定端口。

  22. 生成树协议避免环路 交换网络中所有交换机共同选举一台设备为根交换机（Root Bridge） A为根交换机 switchA BPDU BPDU BPDU switchB switchC

  23. 生成树协议避免环路（续） 所有非根交换机选择一条到达根交换机的最短路径 A为根交换机 switchA 此为最短路径 此为最短路径 switchB switchC

  24. 生成树协议避免环路（续） 所有非根交换机产生一个到达根交换机的端口—根端口（Root Port） A为根交换机 switchA 根端口 switchB switchC

  25. 生成树协议避免环路（续） 每个LAN都会选择一台设备为指定交换机，通过该设备的端口连接到根，该端口为指定端口（ Designated port） A为根交换机 switchA 根端口 switchB switchC 指定端口

  26. 生成树协议避免环路（续） 将交换网络中所有设备的根端口(RP)和指定端口（DP）设为转发状态（Forwarding），将其他端口设为阻塞状态（Blocking） A为根交换机 switchA RP switchB switchC DP

  27. 生成树协议的工作过程 1、选举根交换机（RootBridge） A为根交换机 2、所有非根交换机选择一条到达根交换机的最短路径 switchA 3、所有非根交换机产生一个根端口 此为最短路径 BPDU BPDU 此为最短路径 根端口 4、每个LAN确定指定端口 BPDU 5、将所有根端口和指定端口设为转发状态 switchB switchC 6、将其他端口设为阻塞状态 指定端口

  28. STP的路径成本 • 路径成本的计算和链路的带宽相关联 • 根路径成本就是到根网桥的路径中所有链路的路径成本的累计和 • 修订前后的802.1d路径成本 ：

  29. 网桥ID • 用于选举根网桥：最低网桥ID的交换机将成为根网桥 • 网桥优先级取值范围：0到65535；默认值：32768（0x8000） • 首先判断网桥优先级，优先级最低的网桥将成为根网桥 • 如果网桥优先级相同，则比较网桥MAC地址，具有最低MAC地址的交换机或网桥将成为根网桥

  30. 端口ID • 参与选举根端口 • 端口优先级是从0到255的数字，默认值是128（0x80） • 端口优先级越小，则优先级越高 • 如果端口优先级相同，则编号越小，优先级越高

  31. STP的工作过程 • 第一步：选举一个根网桥； • 第二步：在每个非根网桥上选举一个根端口； • 第三步：在每个网段上选举一个指定端口； • 第四步：阻塞非根、非指定端口。

  32. 选举根网桥 • 依据网桥ID选举根网桥，ID值最小者当选 • 根网桥每2s发送一次BPDU SW1: 32768.00-d0-f8-00-11-11 F0/1 F0/2 100M 100M F0/1 F0/2 F0/2 F0/1 Root Bridge 100M SW2: 4096.00-d0-f8-00-22-22 SW3: 32768.00-d0-f8-00-33-33

  33. 选举根端口 • 在非根交换机上选举根端口 • 选举依据： • 根路径成本最小 • 发送网桥ID最小 • 发送端口ID最小 SW1: 32768.00-d0-f8-00-11-11 根路径成本：38 F0/1 F0/2 根路径成本：19 根路径成本：38 100M 100M F0/1 F0/2 F0/2 F0/1 Root Bridge 100M SW2: 4096.00-d0-f8-00-22-22 SW3: 32768.00-d0-f8-00-33-33 根路径成本：19

  34. 选举指定端口 • 每个网段中选取一个指定端口 • 用于向根交换机发送流量和从根交换机接收流量 • 选举依据： • 根路径成本最小 • 所在交换机的网桥ID最小 • 端口ID最小 SW1: 32768.00-d0-f8-00-11-11 所在交换机网桥ID最小 根路径成本：0 F0/1 F0/2 100M 100M F0/1 F0/2 F0/2 F0/1 Root Bridge 100M SW2: 4096.00-d0-f8-00-22-22 SW3: 32768.00-d0-f8-00-33-33

  35. 阻塞非根非指定端口 • 阻塞非根、非指定的端口，形成逻辑上无环路的拓扑结构 SW1: 32768.00-d0-f8-00-11-11 F0/1 F0/2 100M 100M F0/1 F0/2 F0/2 F0/1 Root Bridge 100M SW2: 4096.00-d0-f8-00-22-22 SW3: 32768.00-d0-f8-00-33-33

  36. STP的端口状态 • 阻塞状态（Blocking） • 不能接收或者传输数据，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU • 监听状态（Listening） • 不能接收或者传输数据，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和发送BPDU • 学习状态（Learning） • 不能传输数据，但可以发送和接收BPDU，也可以学习MAC地址 • 转发状态（Forwarding） • 能够发送和接收数据、学习MAC地址、发送和接收BPDU • Disable(禁用) • 不能接收BPDU信息，不转发数据包

  37. Blocking 20秒最大 生存时间 15秒转发 延时 15秒转发 延时 Listening learning Forwarding STP的端口状态 • 生成树经过一段时间（默认值是50秒左右）稳定之后，所有端口要么进入转发状态，要么进入阻塞状态。

  38. BID：32768 000d.2800.b100 BID：32768 000d.2805.c100 100M 100M 100M 100M 100M BID：32768 000d.2811.e100 BID：32768 000d.2810.d100 D C A B 课堂练习 例：一公司的网络拓扑结构如下图所示，为了避免网络环路，在该交换网络中启用生成树协议，交换机A、B、C、D的优先级及MAC地址如图所示，交换机之间均采用100M双绞线连接。根据生成树协议的工作原理，请问： （1）交换机A、B、C、D哪一个为根交换机，为什么？ （2）拓扑图中哪些端口为根端口，并用符号“△”标出； （3）拓扑图中哪些端口为指定端口，并用符号“□”标出； （4）拓扑图中哪些端口为阻塞端口，并用符号“⊕”标出。

  39. 生成树拓扑变更 ROOT 5 5 3 4 6 6 1 2 拓扑改变通知消息 拓扑改变应答消息 拓扑改变消息

  40. 生成树拓扑变更 • 发生变化的交换机会在根端口上每隔hello time时间就发送TCN BPDU（拓扑变化通知BPDU），直到生成树上游的指定网桥邻居确认了该TCN（拓扑变化通知）为止 • 当网络拓扑变化时，交换机必须重新计算STP，端口的状态会发生改变，重新收敛 • 重新收敛的时间可能长达50s

  41. 课程议题 快速生成树协议

  42. 快速生成树协议 • RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol） ： • 快速生成树协议标准 IEEE 802.1w • RSTP协议在STP协议基础上做了三点重要改进， 在物理拓扑变化或配置参数发生变化时，能够显著地减少网络拓扑的重新收敛时间（最快1秒以内）。

  43. RSTP相对于STP的改进 • 第一点改进：定义了2种新增加的端口角色，用于取代阻塞端口 • 替代（alternate）端口AP：根端口的后备端口，当根端口为根端口失效的情况下，替代端口就会无时延地进入转发状态。 • 备份（backup）端口BP：指定端口的后备端口，当指定端口失效的情况下，备份端口就会无时延地进入转发状态。 Root Bridge DP DP DP BP RP AP

  44. RSTP相对于STP的改进 • 第二点改进：定义了边缘端口 • 直接与终端相连而不直接其他交换机相连的端口定义为边缘端口（Edge Port）。 • 边缘端口可以直接进入转发状态，不需要任何延时。 • 连接类型：根据端口的双工模式来确定，全双工操作的端口为点到点链路，可以实现快速收敛 。 • 第三点改进：拓扑变更的机制改变 • 在只连接了两个交换端口的点对点链路中，指定端口只需与下游交换机进行一次握手就可以无时延地进入转发状态。 • 第四点改进：BPDU的传播机制改变： • 非根网桥即使没有收到根网桥发来的BPDU，也会每隔2s发送一次BPDU。 • 如果连续3个hello time里没有收到邻居发来的BPDU，则认为连接故障。

  45. 快速生成树协议 • 3种端口状态——丢弃（discarding）、学习（learning）和转发（forwarding）

  46. 拓扑变化机制 3 2 整个网络拓朴稳定为一个树型结构就大约需要1 秒 1 2 拓扑改变消息

  47. STP与RSTP的兼容性 • RSTP协议与STP协议完全兼容 • RSTP协议根据收到的BPDU版本号来自动判断与之相连的交换机支持STP协议还是RSTP协议 • RSTP协议提供了protocol-migration功能来强制发RSTP BPDU

  48. STP和RSTP存在的问题 A C VLAN1 • 交换机A和B在主链路正常的情况下可以访问，但当主链路出现故障时，交换机A无法通过C访问B。 VLAN2 VLAN2 B D VLAN1 VLAN2

  49. MSTP技术 802.1s(MSTP) • instance：一台交换机的一个或多个vlan 的集合 • MST region：有着相同instance 配置的交换机组成的域，运行独立的生成树（IST，internal spanning-tree） • CST（common spanning tree）多个MST region 组合 既避免了环路的产生，也能让相同vlan 间的通讯不受影响 A C VLAN1 VLAN2 B D VLAN1 VLAN2 Mst region 1 Mst region 2 CST

  50. 课程议题 STP与RSTP的配置

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