生成树

STP/RSTP引入

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为了在保持冗余的同时解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

运行STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个端口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

由于STP拓扑收敛速度慢，IEEE在2001年发布了802.1w标准定义了RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）。RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。

生成树协议的作用：

在以太网交换网中部署生成树协议后，如果网络中出现环路，生成树协议通过拓扑计算，可实现：

  • 消除环路：通过阻塞冗余链路消除网络中可能存在的网络通信环路。
  • 链路备份：当前活动的路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。

环路

网络环路，信息技术术语，也分为第二层环路和第三层环路，所有环路的形成都是由于目的路径不明确导致混乱而造成的，例如第二层，一个广播信息经过两个交换机的时候会不断恶性循环的产生广播，造成环路，而第三层环路则是原路由意外不能工作，造成路由通告错误，形成一个恶性循环。

在现实中，冗余链路会引起环路，还有一些人为错误也会导致环路。

二层环路会带来两大问题：

  • 广播风暴：根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个未知单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。
  • MAC地址表震荡：当环路中产生广播报文的转发时，交换机处于同一环路的不同端口将会不停的收到源MAC地址相同的广播帧，因此需要不断地学习、修改MAC地址表中MAC地址和端口的映射关系，从而引起了MAC地址表的抖动。如此下去，最终导致MAC地址表项被破坏。

STP的基本概念和工作原理（以下的网桥/桥指的是交换机）

桥ID（BID）

IEEE 802.1D标准中规定BID由16bit的桥优先级（Bridge Priority）与48bit的桥MAC地址构成，例如：4096.4c1f-aabc-102a，每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768,可以修改但是修改值必须为4096的倍数。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先（根桥可抢夺）。

根桥

树形的网络结构必须有树根，于是STP引入了根桥（Root Bridge）概念，作为STP交换网络的树根。

在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。

在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU，但是在网络拓扑稳定后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他桥在收到上有传来的配置BPDU后，才触发发送自己的配置BPDU。对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备收到该配置BPDU后，如果优先级比自己的配置BPDU高，则非根桥设备会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己STP端口存储的配置BPDU信息，否则会丢弃该配置BPDU。

Cost和RPC

每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销（根路径开销（Root Path Cost））。缺省情况下，华为交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。

路径开销是两桥之间某条路径上所有链路开销的总和，非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC，一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备最短路径沿途所有入方向接口的Cost累加。

Port ID

运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号。激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换机上，该值为128。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。例如：128.1（抓包时可能为16进制——0x8001）

BPDU(Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元)

为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU中，BPDU是STP的协议报文。

BPDU有两种类型：

  • 配置BPDU：包含桥ID、路径开销和端口ID等参数，配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键，STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
  • TCN BPDU：下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知，只在网络拓扑发生变更时才会被触发。

其中，配置BPDU的报文格式为：

运行STP协议的网络中非根桥设备收到配置BPDU报文后，将报文中的Message Age+1,并和Max Age进行比较，如果Message Age 小于Max Age，则该非根桥设备继续转发配置BPDU报文。如果Message Age 等于Max Age，则该非根桥设备忽略此BPDU，不会转发。因此，Max Age具有限制stp网络规模的作用。

STP协议的选举机制
  1. 选举根桥，全网BID最小的交换机成为根桥，具备抢夺性，具备唯一性。
  2. 除根桥外，其他交换机为非根桥，每个非根桥选举一个根端口（根端口是接收来自根桥最好BPDU的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口）。
  3. 每个链路（冲突域）选举一个指定端口,负责在链路转发来自根桥的最好BPDU（注意是来自根桥的）。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。
  4. 剩下的是阻塞端口。

什么是最好BPDU(BPDU比较)?
答：STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU：最小的根桥ID（交换机在刚启动时都认为自己是根桥）->最小的RPC->最小的网桥ID->最小的接口ID

STP接口状态

前提：启用STP

  • 禁用（disable）不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习，例如接口为down
  • 阻塞（blocking）不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习
  • 侦听（Listening）STP初步认定该接口为根接口或指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习
  • 学习（Learning）可以收发BPDU，但是不能发送业务数据帧，可以进行MAC地址学习

STP接口状态迁移：

注：
1.阻塞和转发是稳定的接口状态，其他状态只是过渡。侦听、学习状态是为了让BPDU充分交换
2.阻塞到监听状态的变化是极快的，一旦接口认为自己是根端口、指定端口，它会立即进入监听状态
3.侦听到学习、学习到转发的时间根据转发延迟的不同而不同，一般一共30秒。由于其他状态的迁移时间可以忽略不计，故接口从阻塞到转发共需30S
4.接口之间最本质的区别并不在于接口状态，而是在于接口扮演的角色
补充：https://blog.51cto.com/u_14360585/2437398

RSTP

stp存在的问题：

  • 网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。
  • 如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断。（当指定接口进入转发状态，则认为拓扑发生变化）
  • 根接口和指定接口可以都处于Listening状态，也可能都处于Forwarding状态，无法通过端口角色判断端口状态，反之亦然，接口角色和接口状态是解耦的。
  • STP端口角色确立的非常快，但是端口状态的转变慢，依赖定时器，收敛速度慢。

RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。当交换网络拓扑结构发生变化时， RSTP可以通过Proposal/Agreement机制更快地恢复网络的连通性。
RSTP新增两种端口角色：预备端口（ap)和备用端口（bp），前者作为根端口的替代端口，后者作为指定端口的替代端口。
RSTP引入边缘接口，用于连接终端设备，不与交换设备连接，不会因为接入终端设备而进行拓扑变化的通知，避免了因为终端设备频繁连接造成的网络拓扑变化，MAC地址表频繁清空的问题。
RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为3种，如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么接口状态就是Discarding状态。如果不转发用户流量但是学习MAC地址，那么接口状态就是Learning状态。如果既转发用户流量又学习MAC地址，那么接口状态就是Forwarding状态。

生成树进阶

STP/RSTP存在的问题：STP/RSTP都是单生成树协议，只有一个根，只能维护一棵树。局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，容易造成链路资源浪费。
结局方案：

VBST

华为提出了VBST,该方案中，生成树的形成是基于VLAN的，不同VLAN间可形成相互独立的生成树，不同VLAN内的流量沿着各自的生成树转发，进而可实现流量的负载分担。但是网络中VLAN的数量较多时，为每个VLAN执行独立的生成树计算将耗费交换机大量的资源。（不常用）

MSTP（最常用）

IEEE于2002年发布的802.1s标准定义了MSTP，MSTP将VLAN映射到一个生成树的实例，若干个VLAN可共用一棵生成树。例如，共有40个VLAN，将0-20映射到实例1，将21-40映射到实例2，因此网络只需维护两颗生成树。

堆叠

堆叠iStack（Intelligent Stack），是指将多台支持堆叠特性的交换机设备组合在一起，从逻辑上组合成一台整体交换设备，而在物理上依然是多台交换机。
部署了堆叠后的汇聚交换机，将形成逻辑意义上的单台设备，再在汇聚交换机与接入交换机之间部署链路聚合，就可以将拓扑进一步简化为“树形结构”，消除二层环路（物理上依然是冗余的），同时充分提高链路带宽利用率。

Smart Link是一种为双上行组网量身定做的解决方案，一条为主链路，一条为备用链路，当网络正常时，两条上行链路中，主链路处于活跃状态，备用链路则处于备份状态（不承载业务流量）。如此一来二层环路就此打破。当主链路发生故障后，流量会在毫秒级的时间内迅速切换到备用链路上，保证了数据的正常转发。Smart Link配置简单，便于用户操作，无需协议报文交互，收敛速度及可靠性大大提升（也可以实现负载分担）

posted @ 2023-04-18 16:39  52Hertz520  阅读(127)  评论(0)    收藏  举报