STP(生成树协议)基础(2)

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2022-04-15

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思维导图

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STP端口状态

状态名称状态描述状态转换
禁用（Disablle）该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧当接口物理开启且接口运行STP协议进入下一个状态
阻塞（Blocking）该接口被STP阻塞，不能发送BPDU，但会持续监听BPDU ，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习交换网络初始处于该状态，等待20s（Max age）时间，如果没有收到BPDU则进入下一个状态
侦听（Listening）当接口处于该状态，表明STP初步认为该接口为根接口或指定接口，但接口依然除以STP计算的过程中，此接口会发送BPDU，但不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习侦听状态停留15s（转发延迟），该状态其实是角色选举的状态，15s后，只有根接口和指定接口可进入下一个状态，非指定接口退回到Blocking
学习（Learning）当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧，但不能转发业务数据帧，并且在收到业务数据帧时会进行MAC地址学习学习时间停留15s（转发延迟），15s后进入下一个状态
转发（Forwarding）当接口处于该状态，可以正常地手打业务数据帧，也会进行BPDU的处理收敛完成后，根端口和指定端口处于该状态

STP收敛

  • STP在收敛的过程中，接口会处于会经历多个状态，状态之间的转换多数是有计时器决定的，当跟接口个指定接口处于转发状态时才收敛完成

首次收敛

  • 华为交换机默认开启STP，当启动接口后，处于阻塞状态，等待20s（Max age）进入下一个状态
  • 所有交换机认为自己是根网桥，向所有接口发送BPDU，开始角色选举，选举时间为15s转发延迟)
  • 角色选举完成后，非指定端口退回到阻塞状态，根端口和指定端口进入到学习状态15s(转发延迟)
  • 当根端口和指定端口来到转发状态代表收敛完成，此时一共花费20+15+15=50s的时间
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结构变化

根网桥故障

  • 当根网桥发生故障后，其他交换机无法收到BPDU，由于BPDU存在最大寿命，20s（Max age）后，其他交换机缓存的BPDU失效，开始重新选举角色，重新收敛。共花费20+15+15=50s。
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直连链路故障

  • 当某个非根网桥的根端口故障或无法收到BPDU，但该交换机上存在非指定端口，依然可以收到BPDU，所以该交换机的所有接口会重新进入侦听状态、学习状态进行收敛，总共花费15+15=30s的时间
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非直连链路故障

  • 当某个非根网桥的根端口故障或无法收到BPUD，但该交换机上不存在非指定端口，无法从别处获得BPDU，此时该交换机首先会等待一个Max age时间后本地缓存的BPDU失效，然后认为自己是根网桥，向外发送BPDU，相邻交换机收到故障交换机的BPDU，由于该BPDU的的参数次于本地缓存的BPDU，所以故障交换机与相邻交换机相连的接口都会重新进入侦听、学习状态进行收敛，总共花费20+15+15=50s
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ensp的STP配置

  • 开启stp
[sw1]stp mode ?  # 修改stp的工作模式，华为设备默认使用的是802.1S
  mstp  Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) mode
  rstp  Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) mode
  stp   Spanning Tree Protocol (STP) mode
[sw1]stp enable # 激活stp，华为设备默认开启STP生成树
  • 查看stp信息
[sw1]display stp # 查看stp选举信息
-------[CIST Global Info][Mode STP]-------
CIST Bridge         :32768.4c1f-cc3d-7aea
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :32768.4c1f-cc03-4d21 / 40000
CIST RegRoot/IRPC   :32768.4c1f-cc3d-7aea / 0
CIST RootPortId     :128.1
BPDU-Protection     :Disabled
TC or TCN received  :495
TC count per hello  :0
STP Converge Mode   :Normal 
Time since last TC  :0 days 0h:11m:11s
Number of TC        :49
Last TC occurred    :GigabitEthernet0/0/1
.....

[sw1]display stp brief  # 查看STP接口的角色和状态
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        ROOT  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/24       DESI  FORWARDING      NONE
  • 修改优先级，由于STP收敛完成后，树的两端都要经过根网桥，如果根网桥的位置不佳，会导致一些问题，如下图，图1的根网桥为sw3，交换机访问另一个交换机最多经过两条链路，而图2中的根网桥为sw2，sw1访问sw4需要经过3条链路，所以工程中我们需要干涉根网桥的位置。
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[sw1]stp priority 28672 # 修改BID中优先级的命令，优先级必须按照4096的倍数修改，STP根网桥的选举是抢占模式的

[sw1]stp root primary # 将改交换机设置为根网桥，其实质是将BID的优先级修改为0.

[sw2]stp root secondary # 将改交换机设置为备份根网桥，其实质是将BID的优先级修改为4096

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? # 接口修改PID中优先级的方式
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? # 修改接口的开销值
INTEGER<1-200000000> Port path cost
  • STP的缺点：收敛速度慢，STP收敛是靠计时器，最短的计时器都需要15s；链路利用率低，形成树状拓扑后，阻塞的端口只有出现故障后才会使用，正常情况得不到利用，浪费了链路资源。

PVST

  • PVST是由Cisco提出的私有生成树协议，为了解决STP链路利用率低的问题。解决方法为：一个VLAN一棵树，在BPDU中加入区分VLAN的标识，每个VLAN的树形结构都独立计算，使用所有的链路进行数据传输。如下图中，该交换网络由两个VLAN，VLAN1的根网桥为sw3，VLAN2的根网桥为sw4，假设sw1和sw2各有一个属于VLAN1和VLAN2的接口，sw1的VLAN1向访问sw2下的VLAN1，该流量路线为sw1-sw3-sw2，而sw1上的VLAN2访问sw2上的VLAN2，流量路线为sw1-sw4-sw2，这样就充分利用了链路资源。
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  • PVST只是提供了链路利用率低的一个思路，但他本身问题解决的也并不彻底，因为一个VLAN一颗树，那如果整个交换网络VLAN数量过多，则将导致树的数量过多。每棵树都需要存在2S一次的配置BPDU的泛洪，则将导致流量过大。

RSTP

  • 快速生成树，最早在IEEE 802.1W-2001中提出，主要要解决的是802.1D收敛速度慢的问题，并没有解决链路利用率低的问题，可以向下兼容802.1D：当两台交换机分别运行STP和RSTP，它们交互时，运行RSTP的交换机就会向下兼容，使用STP模式

改进点

  • 变更了端口角色
版本端口角色
STP根端口、指定端口、非指定端口
RSTP根端口、指定端口、替代（Alternate）端口、备份（Backup）端口
RSTP端口角色描述
替代（Alternate）由于在选举指定端口时，本地属性不如对端交换机而变成阻塞端口，他提供了从指定桥到根网桥的另一条路径，所以可以作为根端口的备份端口。当一个根端口失效，则将最优的替代端口将成为根端口，直接进入转发状态。
备份（Backup）替代端口是收到对端交换机的配置BPDU报文而阻塞的，而备份端口是由于学习到自己的配置BPDU而阻塞的，它作为指定端口的备份，如果指定端口失效，则备份端口将直接替代指定端口，进入转发状态。

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  • 修改了接口的状态
版本接口状态
STP（802.1D）禁用、阻塞、侦听、学习、转发
RSTP（802.1S）丢弃（Discarding）状态、学习（Learning）状态、转发（Forwarding）状态
接口状态描述
丢弃（Discarding）不转发用户流量，且不学习MAC地址，该状态实际替代了STP中的禁用、阻塞、侦听，这是因为这三个状态都会丢弃用户流量故名为丢弃状态
学习（Learning）依然是STP中的学习状态，不转发用户流量，但是学习MAC地址
转发（Forwading）依然是STP中的转发状态，既可以转发用户流量，也可以学习MAC地址
  • 对配置BPDU的报文内容进行了修改
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  • P/A机制：快速收敛的重大举措，通过该机制摆脱了计时器，不需要像STP选举角色时有固定的时间，即使提前选举完成，也需要等待计时器，RSTP可以实现完成任务立刻转换状态，而不需等待。

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  • 对配置BPDU的处理逻辑进行修改
  • 快速收敛机制
[sw1]inteface gigabitEthernet 0/0/1 # 进入需要配置边缘接口的接口
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable # 配置为边缘接口，立即切换为转换状态
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp bpdu-filter enable # 启动接口STP-BPDU的过滤器，使该接口不在向下发送配置BPDU
  • 拓扑变更机制发生变化

MSTP

  • MSTP：多生成树协议，虽然RSTP解决了STP收敛速度慢的问题，但链路使用率低的问题没有得到解决，Cisco提出的PVST虽然解决了链路利用率低的问题，但过多的配置BPDU流量大量占用了链路资源，影响正常业务数据流量的转发，所以IEEE在RSTP的基础上又借鉴了PVST提出了MSTP。
  • MSTP为了解决链路利用率低的问题，他引入了一个新的概念：instance（实例），所谓实例，可以理解为一个或多个VLAN的集合。每个实例可以定义多个VLAN，MSTP为一个实例生成一棵树。
  • 为了区分不同的instance，我们引入instance ID ，由12位二进制构成，他的取值范围为 0 - 4094。华为设备默认存在instance 0 ，并且，默认所有VLAN都属于instance 0。
  • MSTP还引入了一个域（region）的概念，类似于OSPF中区域的概念，当一个交换网络过大时，可以将其分为多个MST 域。当然，如果网络规模较小，也可以划分为一个MST 域。

ensp配置

  • 首先配置VLAN部分：创建VLAN，配置Trunk干道
  • 更改生成树的模式
[sw1]stp mode mstp # 华为设备默认使用MSTP
[sw1]stp enable # 以上两条命令是华为设备默认执行
  • 配置MST 域，同一个域的交换机的域配置需相同
[sw1]display stp region-configuration # 查看当前MST域的配置情况

[sw1]stp region-configuration # 进入MST域配置视图中
[sw1-mst-region]
[sw2-mst-region]region-name ? # 配置MST域名
  STRING<1-32>  A maximum of 32 characters can be entered
[sw2-mst-region]revision-level ? # 配置MST域的修订等级
  INTEGER<0-65535>  Revision level
[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5 # 创建instance并将VLAN按需求放入
[sw1-mst-region]active region-configuration # 激活MST域的配置
  • 干涉根网桥位置
[sw1]stp instance 1 root primary ---- 将该设备定义为instance 1 中的根网桥

[sw1]stp instance 2 root secondary # 将该设备定义为instance 2中的备份根网桥
  • 查看实例的接口角色与状态
[sw1]display stp instance 1 brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   1    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/3        DESI  FORWARDING      NONE
[sw1]display stp instance 2 brief
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   2    GigabitEthernet0/0/1        ROOT  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/3        DESI  FORWARDING      NONE

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