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第四章 局域网中的冗余链路

第四章 局域网中的冗余链路. 学习目标. 通过本章的学习，希望您能够： 理解局域网的冗余拓扑 熟悉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. 本节内容. 冗余拓扑 生成树协议 快速生成树协议 STP 和 RSTP 的配置. 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. 交换网络中的冗余链路. 故障. 在网络中提供冗余链路解决单点故障问题. 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.

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第四章 局域网中的冗余链路

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Presentation Transcript

  1. 第四章 局域网中的冗余链路

  2. 学习目标 • 通过本章的学习，希望您能够： • 理解局域网的冗余拓扑 • 熟悉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. 本节内容 • 冗余拓扑 • 生成树协议 • 快速生成树协议 • STP和RSTP的配置

  4. 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

  5. 交换网络中的冗余链路 故障 在网络中提供冗余链路解决单点故障问题

  6. 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 广播风暴 F0/1 主机A F0/2 F0/1 SW2 主机B

  7. 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

  8. 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 F0/1：主机A F0/2：主机A 主机A 单播 F0/2 F0/1 SW2 主机B

  9. 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

  10. 课程议题 生成树协议

  11. 生成树协议 • 生成树协议（spanning-tree protocol）由IEEE 802.1d标准定义 • 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。

  12. 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

  13. 生成树的实现方法 • 交换机或者网桥之间周期性地发送STP的网桥协议数据单元（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 • 组播发送，组播地址为：01-80-C2-00-00-00 switchA BPDU BPDU BPDU switchB switchC

  14. BPDU(网桥协议数据单元） 2 Protocol ID Bridge ID:由2字节优先级和6字节MAC组成 1 Version 1 Cost of Path：是非根交换机到达根的路径开销 Message Type 1 Flags 8 Root ID Port ID:端口信息由1字节端口优先级和1字节端口 号组成 4 Cost of Path 8 Bridge ID Maximum Time:保留对方BPDU消息的最长时间 2 Port ID 2 Message Age Hello Time:发送BPDU的周期,默认2秒 2 Maximum Time 2 Hello Time Forward Delay：BPDU全网传输延迟,默认15秒 2 Forward Delay

  15. switchA BPDU BPDU BPDU switchB switchC

  16. BPDU的传播 • BPDU传播的最终结果： • 网络中选择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）

  17. STP的工作过程 1.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 4096.00-d0-f8-00-22-22 switchA BPDU BPDU BPDU switchB switchC 32768.00-d0-f8-00-33-33 32768.00-d0-f8-00-11-11

  18. 网桥ID • 用于选举根网桥：BID最小的交换机将成为根网桥 • 首先判断网桥优先级，优先级越小的网桥的BID越小 • 如果网桥优先级相同，则比较网桥MAC地址，MAC地址越小BID越小。 • 网桥优先级取值范围：0到65535；默认值：32768（0x8000）

  19. STP的工作过程（续） 2.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

  20. STP的工作过程（续） 3.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

  21. STP的工作过程（续） 4.每个网段中选取一个指定端口 （ Designated port ） A为根交换机 switchA • 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 根端口 switchB switchC 32768.00-d0-f8-00-11-11 32768.00-d0-f8-00-33-33 指定端口

  22. STP的工作过程（续） 5.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

  23. 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 注：STP BPDU是一种二层数据帧，其目标MAC地址为多播地址：01-80-C2-00-00-00

  24. 选择到根交换机的最短路径 • 1、比较本交换机到达根交换机路径的开销，选择开销最小的路径。 不同带宽路径的不同表示方法路径值

  25. 选择到根交换机的最短路径 假设SwA为根交换机 A B C 100 19 19 19 D E 19 通过比较开销，选择E->D->A为最短路径

  26. Sw D Sw A Sw B Sw C 选择到根交换机的最短路径 • 2、如果路径开销相同，则比较发送BPDU交换机的Bridge ID Mac:00d0f80000d1 Mac:00d0f80000f2 Mac:00d0f80000f1

  27. Sw D Sw A Sw B Sw C 选择到根交换机的最短路径 • 3、如果发送者Bridge ID相同，即同一台交换机，则比较发送者交换机的port ID Mac:00d0f80000d1 Mac:00d0f80000f1 f0/2 f0/1

  28. 端口ID • 先比较端口优先级，端口优先级小的端口连接的最短路径 • 如果端口优先级相同，则端口编号小的为最短路径 • 端口优先级是从0到255的数字，默认值是128（0x80）

  29. Sw D Mac:00d0f80000d1 Mac:00d0f80000f1 Sw A Sw B 1 2 HUB 8 7 Sw C 6 选择到根交换机的最短路径 • 4、如果发送者Port ID相同，则比较接收者的portID Mac:00d0f80000f2

  30. D C A B STP举例 BID：32768 000d.2800.b100 BID：32768 000d.2805.c100 100M RP Root Bridge DP DP 100M 100M 100M RP Block RP 100M DP BID：32768 000d.2811.e100 BID：32768 000d.2810.d100

  31. D C A B 经过STP计算后的逻辑拓朴 BID：32768 000d.2800.b100 BID：32768 000d.2805.c100 100M Root Bridge 100M 100M BID：32768 000d.2811.e100 BID：32768 000d.2810.d100

  32. 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） • 但不能传输数据，但可以接受数据，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

  33. A为根交换机 switchA RP switchB switchC DP

  34. 20秒最大生存时间 15秒转发延时 15秒转发延时 生成树协议端口的状态的间隔时间 Blocking 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。 Listening learning Forwarding

  35. STP的端口状态

  36. STP拓扑变化机制 ROOT 拓扑改变通知消息 拓扑改变应答消息 5 5 4 3 拓扑改变消息 RP 2 6 6 1 RP 在一个大中型网络中要等整个网络拓朴稳定为一个树型结构就大约需要50 秒，这样的时间是无法忍受的！

  37. 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

  38. 课程议题 快速生成树协议

  39. IEEE 802.1w—快速生成树协议 • 快速生成树协议RSTP(Rapid Spannning Tree Protocol) IEEE 802.1w • RSTP协议在STP协议基础上做了三点重要改进， 使得收敛速度快得多（最快1秒以内）。

  40. RSTP相对于STP的改进 • 第一点改进：为根端口和指定端口设置了快速切换用的替 换端口（Alternate Port）和备份端口（Backup Port）两 种角色，当根端口/指定端口失效的情况下，替换端口/备份 端口就会无延时地进入转发状态。 • 第二点改进：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延时地进 入转发状态。 • 第三点改进：直接与终端相连而不是把其他交换机相连的 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。

  41. 端口角色和端口状态 • Root port • 具有到根交换机的最短路径的端口。 • Designated port • 每个LAN的通过该口连接到根交换机。 • Alternate port • 根端口的替换接口，一旦根端口失效，该口就立刻变为根端口。 • Backup port • Designated port的备份接口，当一个交换机有两个端口都连接在一个LAN上，那么高优先级的端口为Designated port，低优先级的端口为Backup port。 • Undesignated port • 当前不处于活动状态的口，即OperState为down的端口都被分配了这个角色。

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

  43. RSTP实例 假设Switch A、B、C的bridge ID是递增的。A与B间是千兆链路， B和C间为百兆链路，A和C间为十兆链路。 F0/1端口的优先级高 于端口F0/2。 F 0/1 F 0/2

  44. RSTP实例 F 0/1 F 0/2

  45. RSTP实例

  46. RSTP实例

  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. 课程议题 STP与RSTP的配置

  49. 生成树协议的配置 • 开启生成树协议 • Switch(config)#Spanning-tree • 如果您要关闭Spanning Tree协议，可用 no spanning-tree 全局配置命令进行设置。

  50. 生成树协议的配置 • 配置生成树协议的类型 • Switch(config)#Spanning-tree mode stp/rstp 注：锐捷全系列交换机默认使用MSTP协议

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