HCIA-生成数协议(STP)

发布于:2025-07-07 ⋅ 阅读:(14) ⋅ 点赞:(0)

前言:本博客仅作记录学习使用,部分图片出自网络,如有侵犯您的权益,请联系删除

本篇笔记是根据B站上的视频教程整理而成,感谢UP主的精彩讲解!如果需要了解更多细节,可以参考以下视频:

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、生成树技术概述

背景:二层交换机网络的冗余性与环路、人为导致的二层环路带来:广播风暴、MAC地址漂移

1、生成树协议

在网络中部署生成树协议后,交换机会通过交互生成树协议报文进行无环拓扑计算,最终阻塞某些接口以打破环路

2、生成树能动态响应网络拓扑变化调整阻塞接口

生成树协议持续监控网络拓扑结构,当拓扑发生变化时,能自动感知并调整。它既能解决二层环路问题,也为网络的冗余性提供了方案

3、二层及三层环路

4、STP概述

STP用于局域网中消除环路,通过设备间交互信息发现环路并阻塞某些接口以消除环路。它持续监控网络状态,感知拓扑变更并自动响应,适应新的拓扑结构,保证网络可靠性。随着局域网规模增长,STP已成为最重要的局域网协议之一

二、STP的基本概念及工作原理

1、STP的基本概念

(1)桥ID

  • BID构成:由16位的桥优先级(Bridge Priority)与桥MAC地址构成,桥优先级需是4096倍数,且默认优先级是32768
  • 唯一性:每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID
  • 结构:BID中桥优先级占据高16bit,其余的低48bit是桥MAC地址
  • 根桥选举:在STP网络中,BID最小的设备会被选举为根桥

此处网桥(Bridge),或者桥也就是交换机

(2)根桥

  • STP树的树根:STP的主要作用之一是计算出一棵无环的"树"(STP树),根桥是这棵树的“树根”。
  • 拓扑计算参考点:根桥是STP计算得出的无环拓扑的“树根”,是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”。
  • 根桥选举规则
    • 在STP网络中,桥ID最小的设备会被选举为根桥
    • 比较BID时,首先比较桥优先级,值越小越优先。
    • 如果优先级相等,则比较MAC地址,拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。
(3)Cost
  • Cost作用:每个激活了STP的接口维护一个cost值,用于计算到达根桥的根路径开销
  • Cost影响因素
    • 与接口的速率工作模式有关。
    • 与交换机使用的STP Cost计算方法有关。
  • Cost与带宽关系:接口带宽越大,Cost值越小
  • Cost调整:用户可以根据需要通过命令调整接口的cost
(4)RPC

在STP中,根路径开销(RPC)是到达根桥的总成本,由沿途接口的Cost累加计算。RPC决定最佳路径选择,影响网络性能

(5(Port ID)

接口ID(Port ID,PID):STP中用于标识交换机接口,主要用于选举指定接口。由接口优先级(高4位)和接口编号(低12位)构成。默认接口优先级通常为128,但用户可修改

(6)BPDU

BPDU(Bridge Protocol Data Unit,网桥协议数据单元):STP正常工作的基础,是STP的协议报文。STP交换机通过交互BPDU报文来交换重要信息,确保STP顺利进行。BPDU有两种类型:

  • 配置BPDU(Configuration BPDU):STP进行拓扑计算的关键。
  • TCN BPDU(Topology Change Notification BPDU):仅在网络拓扑发生变更时触发。

配置BPDU的报文格式:略

配置BPDU的比较原则:STP按以下顺序选择最优的配置BPDU:1、最小的根桥ID。2、最小的RPC。3、最小的网桥ID。4、最小的接口ID

配置BPDU的转发过程:

2、STP的计算过程

(1)选举根桥

  • 每个交换机发送配置BPDU,包含自己的桥ID。
  • 网络中桥ID最小的交换机成为根桥
  • 根桥角色可抢占,建议提前规划并设置桥优先级为0。
(2)选举根接口

  • 非根桥选举一个接口为根接口,接收最优配置BPDU的接口(根路径开销(RPC)小
  • 根接口是“朝向”根桥的接口

(3)选举指定接口

  • 非根桥使用根接口上的最优BPDU与其他接口的BPDU比较(比较原则见上
  • 更优的为指定接口,否则为非指定接口
  • 根桥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,消除二层环路

3、STP的接口状态

4、STP的接口状态迁移

5、拓扑变化

(1)根桥故障
  • SW1(根桥)发生故障,停止发送BPDU报文,SW2等待Max Age计时器(20秒)超时,确认BPDU失效且无法接收到新的BPDU,意识到上游故障
  • 非根桥互相发送配置BPDU,启动新的根桥选举
  • 选举完成后,如SW3的A端口经过两个Forward Delay(15秒)时间恢复转发状态
  • 根桥故障导致网络恢复时间为约50秒,包括BPDU老化和新的根桥选举时间
(2)物理链路故障
  • 当交换机SW2检测到根端口的链路发生故障时,其备用端口会经过两倍的Forward Delay(即30秒)时间后进入用户流量转发状态
  • SW2在检测到直连链路物理故障后,会将预备端口转换为根端口
  • 直连链路故障后,备用端口将在30秒恢复转发状态,从而实现流量的重新导向
(3)非物理链路故障

非直连链路故障后,sW3的备用端口恢复到转发状态,非直连故障会导致50s左右的恢复时间

6、拓扑改变导致MAC地址表错误

  • 网络拓扑结构变化可能引起MAC地址表不一致
  • 生成树协议(STP)通过阻塞某些端口来避免环路,拓扑变更时,这些端口状态改变可能导致MAC地址表更新
  • MAC地址漂移:拓扑改变后,原路径不可用,数据包可能通过新路径到达目的地,导致MAC地址表中记录的端口信息过时
  • 需要老化机制来清除过时的MAC地址条目,更新为新的有效路径
  • STP的TCN BPDU机制通知拓扑变化,触发重新收敛过程,修正MAC地址表

三、STP的基础配置

1、STP的基础配置命令

 --生成树工作模式
 [Huawei]stp mode { stp | rstp | mstp }
 ​
 --(可选)配置根桥
 [Huawei]stp root primary
 --(可选)备份根桥
 [Huawei]stp root secondary
 --(可选)配置交换机的STP优先级
 [Huawei]stp priority /priority/     --缺省情况下,交换机取值是32768
 --(可选)配置接口路径开销
 [Huawei]stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }
     --设置当前接口的路径开销值
     [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost /cost/
 ​
 --(可选)配置接口优先级
 [Huawei-intf]stp priority /priority/    --默认128
 ​
 --启动STP/RSTP/MSTP
 [Huawei]stp enable      --默认都是启用状态

2、案例

在下述三台交换机上部署STP,以便消除网络中的二层环路,通过配置,将SW1指定为根桥,并使SW3的G0/0/22接口被STP阻塞

 --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对STP的改进

1、STP的局限性

收敛速度慢、接口状态与角色区分不足、角色与状态的独立性、被动算法、BPDU传播

2、RSTP概述

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)是IEEE 802.1w标准定义的STP改进版本,具有更快的收敛速度且兼容STP。RSTP通过引入新接口角色优化了网络性能,包括替代接口和备份端口,以快速响应根接口失效并提供备份路径。状态从STP的5种缩减至3种,基于端口是否转发流量和学习MAC地址。此外,RSTP引入边缘接口概念,允许直接连接终端设备的接口快速进入转发状态,从而提高网络工作效率。

3、RSTP对STP的其他改进

配置BPDU处理优化、次等BPDU处理优化、配置BPDU格式改变、RSTP拓扑变化处理

4、端口角色不同

5、边缘端口

不再与任何交换设备连接,位于整个域的边缘,这种端口叫做边缘端口,边缘端口一般与用户终端设备直接连接,可以由Disabled状态直接转到Forwarding状态

6、端口状态不同

  •  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

五、生成树技术进阶

1、STP/RSTP缺陷

所有VLAN共享一颗生成树,因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡,链路被阻塞后将不承载任何流量,还可能造成部分VLAN的报文无法转发

2、VBST:基于VLAN的生成树

华为公司提出的VBST (VLAN-Based Spanning Tree) 是一种基于VLAN的生成树解决方案。该方案允许不同VLAN间形成相互独立的生成树,使得不同VLAN内的流量可以沿着各自的生成树进行转发。这种机制可以实现流量的负载分担,提高网络的效率和可靠性

3、MSTP概述

  • MSTP将交换网络划分为多个,每个域内形成多棵生成树,各生成树相互独立。
  • 每棵生成树称为一个多生成树实例(MSTI),即一组VLAN的集合对应的生成树。
  • 通过将多个VLAN捆绑到一个实例,节省通信开销和资源占用,实现负载均衡。
  • MSTP中各实例拓扑计算独立,VLAN的转发状态取决于接口在对应实例的状态。

4、堆叠与园区网络树形结构组网形态

5、Smart Link

 学习永无止境,让我们共同进步!!  


网站公告

今日签到

点亮在社区的每一天
去签到