初始化與收斂

1、STP初始化與收斂要保證企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵應(yīng)用可持續(xù)性，就需要對交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余設(shè)計，然而這將產(chǎn)生廣播風(fēng)暴、“網(wǎng)絡(luò)環(huán)路”等問題，嚴(yán)重時，將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓？于是，STP生成樹解決辦法出現(xiàn)了     網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計與廣播風(fēng)暴的矛盾    廣播風(fēng)暴的克星：設(shè)計STP網(wǎng)絡(luò)生成樹    技術(shù)剖析：STP生成樹初始化與收斂    案例分析：觀察生成樹收斂過程    實(shí)戰(zhàn)剖析：STP生成樹如何配置？    技術(shù)進(jìn)化：RSTP快速生

2、成樹配置    生成樹初始化與收斂    STP建立一個根節(jié)點(diǎn)，稱為根網(wǎng)橋，并構(gòu)建了一種拓?fù)?，在這種拓?fù)渲校W(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點(diǎn)都只有一條路徑可以到達(dá)，最終生成的樹起源于根節(jié)點(diǎn)，不屬于最短路徑樹的一部分冗余鏈路會被阻塞，因?yàn)檫@樣的路徑被阻塞了，所以實(shí)現(xiàn)一個無環(huán)路的拓?fù)涫怯锌赡艿?。在阻塞鏈路上收到?shù)據(jù)幀將會被丟棄。    STP需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互相交換消息來檢測橋接環(huán)路，交換機(jī)發(fā)送的用于構(gòu)建無環(huán)路拓?fù)涞南⒎Q為網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元。阻塞端口會不斷收到BPDU，以保證當(dāng)活動路徑或設(shè)備發(fā)生故障的時候，仍然可以計算出一棵新的

3、生成樹。BPDU將提供足夠的信息，所有交換機(jī)利用此信息可以完成以下的工作：    n         選擇一臺單獨(dú)的交換機(jī)作為生成樹的根。    n         計算它自身到根交換機(jī)的最短路徑。    n         對于每一個LAN網(wǎng)段，指定一臺交換機(jī)作為最接

4、近的交換機(jī)，稱它為指定交換機(jī)，指定交換機(jī)處理所有從LAN到根交換機(jī)的通信。    n         每個非根交換機(jī)選擇自身的一個端口作為根端口，它是到根交換機(jī)路徑最短的接口。    n         在每個網(wǎng)段上選擇屬于生成樹一部分的端口作為指定端口，非指定端口將被阻塞掉。    STP四步初始化原則    STP

5、在建立無環(huán)路邏輯拓?fù)鋾r候，STP必須遵守“STP 四步初始化原則”，即：    第1步：最低的根BID。    第2步：最低的路徑開銷到根橋。    第3步：最低的發(fā)送方BID。    第4步：更低的端口ID。    當(dāng)一臺網(wǎng)橋設(shè)備加電起動時，按照（Hello Time）時間間隔為2秒頻率向所有端口發(fā)送BPDU，網(wǎng)橋通過以上4個步驟來確定每個端口得到最優(yōu)先的BPDU。如果自己最優(yōu)先，則發(fā)送個對方，否則停止發(fā)送，接受對方的BPDU。如果在20秒時間

6、未能收到對方發(fā)來的優(yōu)先級高的BPDU的話，則又開始重新發(fā)送BPDU來確認(rèn)最優(yōu)的BPDU。 2生成樹收斂的3個步驟    當(dāng)交換機(jī)（網(wǎng)橋）全部加電時，所有的網(wǎng)橋全部向連接端口發(fā)送BPDU信息，然后立即進(jìn)入STP無環(huán)路邏輯拓?fù)溆嬎?。生成樹從拓?fù)涑跏蓟绞諗砍梢粋€無環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以分成3個步驟。    第1步：選擇根橋（Root Bridge），唯一的根橋被選舉。    第2步：選擇根端口（Root Ports），其他的網(wǎng)橋計算一系列的根端口。    第3步：選擇指定

7、端口（Designated ports），用于網(wǎng)段連接。    1）步驟1：選擇根橋    如圖8-8所示，網(wǎng)橋啟動時SW-1、SW-2和SW-3 3臺交換機(jī)全部發(fā)送BPDU聲明自己是網(wǎng)橋，網(wǎng)橋的優(yōu)先級均為32768，此時開始比較MAC值。SW-2收到SW-3來的BID 32768.33-33-33-33-33-33，比自己的BID 32768.22-22-22-22-22-22高，認(rèn)為自己是網(wǎng)橋，但同時也收到SW-1的BPDU的BID值為BID 32768.11-11-11-11-11-11比自己低，所以會認(rèn)為SW-1為根橋，SW-

8、3也經(jīng)過同樣的比較，認(rèn)為SW-1為根橋。圖8-9顯示了根橋計算對比后的結(jié)果。  根橋選舉   根橋選舉結(jié)果    SW-2 BPDU Payload的Root BID值變化如下，Root BID從SW-1學(xué)來，寫入到端口1/1上，Sender BID 為自己的橋BID（注意：Sender BID =Bridge ID）。表8-4為SW-2選擇前與選擇后的比較。    表8-4 SW-2如何選擇根橋 BID項(xiàng)原值（啟動時）選擇根橋后Root BIDBID32768.22-22-

9、22-22-22-22BID 32768.11-11-11-11-11-11Sender BIDBID32768.22-22-22-22-22-22BID 32768.22-22-22-22-22-22 2）步驟2：選擇根端口    選擇根橋完畢之后，非根橋交換機(jī)必須選擇一個根端口，以便確定通信路徑。一臺網(wǎng)橋的根端口是離根橋最近的端口，這個“最近原則”是比較端口到根橋的最少路徑開銷，以太網(wǎng)的端口開銷值參見前面的表8-1中的內(nèi)容。圖8-10顯示了根端口的選舉過程。    如圖8-10所示，根端口的所有端口的Path Cost值

10、全部為0，SW-1 和SW-2 為非根橋，它們必須選擇一個根端口，SW-2 收到從根橋來的Cost值為0，加上本身自己的Cost值為19，獲得1/1端口的Cost為19，而SW-2的1/2端口從SW-3收到的Cost的值為19，加上自己本身的Cost值19，總共為38，所以SW的1/1口為根橋。同理，SW-3的1/1端口為根端口。    3）步驟3：選擇一個指定端口    每一個以太網(wǎng)網(wǎng)段連接的端口必須有一個指定端口，每個以太網(wǎng)網(wǎng)段中的端口比較根橋路徑開銷（Root Path Cost），最低值得為指定端口。  &

11、#160; 下面將說明一種特殊情況。在圖8-11展示的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分為：網(wǎng)段1、網(wǎng)段2和網(wǎng)段3。3生成樹端口狀態(tài)    在啟用Spanning-Tree的交換機(jī)，從“推舉了根橋指定端口非指定端口來建立一棵無環(huán)路樹根端口指定端口轉(zhuǎn)發(fā)BPDU配置消息”這個過程結(jié)束，而非指定端口阻斷網(wǎng)絡(luò)流量。STP關(guān)閉端口到轉(zhuǎn)發(fā)流量有5個過程，如下表8-6所示。交換機(jī)端口狀態(tài)狀    態(tài)功能與數(shù)據(jù)幀接收情況轉(zhuǎn)發(fā)（Forwarding）發(fā)送/接收用戶數(shù)據(jù)；接受從其他接口轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀；學(xué)習(xí)地址（BID的地址）；不接受BPDU配置信息學(xué)習(xí)（Learning）丟棄

12、從端口收到的數(shù)據(jù)幀；丟棄從其他接口轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀；學(xué)習(xí)地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息監(jiān)聽（Listening）丟棄從端口收到的數(shù)據(jù)幀；丟棄從其他接口轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀；不學(xué)習(xí)地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息阻斷（Blocking）丟棄從端口收到的數(shù)據(jù)幀；丟棄從其他接口轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀；不學(xué)習(xí)地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息。關(guān)閉（Disable）管理性關(guān)閉或線路中斷；丟棄從其他接口轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀；丟棄BPDU轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；不學(xué)習(xí)地址（BID的地址）；不接受BPDU配置信息     在完全利用思科設(shè)備組成的交換網(wǎng)絡(luò)中，可以存在7種端

13、口狀態(tài)（Cisco私有的PortFast和UplinkFast）。圖8-12展示了各個端口狀態(tài)遷移的過程。STP運(yùn)算中端口的狀態(tài)遷移圖    端口狀態(tài)遷移情況比較復(fù)雜。假設(shè)一個端口從Disable狀態(tài)或新接入到網(wǎng)絡(luò)中來，這時Disable狀態(tài)轉(zhuǎn)到Blocking狀態(tài)，Blocking狀態(tài)可以接受BPDU數(shù)據(jù)，在20秒的信息老化時間后，端口進(jìn)入Listening。再經(jīng)過15秒的BPDU數(shù)據(jù)比較，如果該端口接收到的BPDU數(shù)據(jù)為最優(yōu)先的，則進(jìn)入Learning狀態(tài)。這時如果收到的BPDU數(shù)據(jù)還是沒有比自己更優(yōu)先的，則再等15秒的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，整個過程需要

14、50秒左右。    在上述的各個階段中，如果端口收到比自己更優(yōu)先的BPDU配置信息，則直接轉(zhuǎn)入到Blocking狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，將一臺電腦插入到啟動了STP功能的交換機(jī)上，交換上的端口指示燈為桔黃色，需要等到20+15+15=50秒，燈才轉(zhuǎn)為正常，指示燈為綠色。這也是為什么將客戶端接入交換機(jī)后，不能馬上通信的真正原因。 4生成樹計時器    前面我們已經(jīng)提到某些狀態(tài)到另一種狀態(tài)情況，這需要花費(fèi)時間來判斷最優(yōu)的BPDU配置信息，STP定義了三中STP定時器，如表8-7所示。    表8-7 生

15、成樹三個計時器屬性定 時 器功 能 描 述默 認(rèn) 值Hello Time根橋發(fā)送BPDU配置信息的時間間隔2秒Foreword Delay監(jiān)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)發(fā)延時15秒Max AgeBPDU配置信息在端口中存儲的時限20秒    Hello Time是根橋發(fā)送BPDU更新的時間間隔，默認(rèn)為2秒；Forward Delay（轉(zhuǎn)發(fā)延遲）是網(wǎng)橋在監(jiān)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)時發(fā)生的，默認(rèn)為15秒（監(jiān)聽到學(xué)習(xí)為15秒，學(xué)習(xí)到轉(zhuǎn)發(fā)也是15秒）；Max Age網(wǎng)橋存儲BPDU的時間，時間為20秒，每2秒通過Hello Time來更新，一旦經(jīng)過20秒時

16、沒有接收到Hello Time來的更新BPDU，網(wǎng)橋端口狀態(tài)就要發(fā)生變化。 5拓?fù)渥兓蟮氖諗?#160;   當(dāng)非根橋檢測到拓?fù)涓淖儠r，產(chǎn)生TCN BPDU給上一級網(wǎng)橋，上級網(wǎng)橋收到拓?fù)涓淖儯═C），回復(fù)拓?fù)涓淖兇_認(rèn)（TCA），繼續(xù)向上傳播TCN BPDU，一直傳播到根橋，告訴根橋拓?fù)湟呀?jīng)改變，根橋收到后，根橋傳播到新的配置BPDU到整個網(wǎng)絡(luò)，縮短其他根橋的MAC地址老換時間從300秒（300秒為交換機(jī)默認(rèn)的MAC老化時間）到指定的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間30秒。    TCN BPDU在以下3種情況發(fā)送：   

17、n         當(dāng)端口轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)而且網(wǎng)橋至少有一個指定端口。    n         當(dāng)一個端口從轉(zhuǎn)發(fā)或?qū)W習(xí)狀態(tài)到阻斷狀態(tài)時候。    n         當(dāng)指定端口收到TCN BPDU轉(zhuǎn)發(fā)給根橋時。    TCN BPDU的特性如下：  &

18、#160; n         TCN BPDU僅從根端口發(fā)出，配置BPDU僅從指定端口發(fā)出。    n         TCN BPDU發(fā)往根橋方向。    n         TCN BPDU使用可靠機(jī)制發(fā)送給根橋，當(dāng)一臺網(wǎng)橋發(fā)送TCN BPDU，持續(xù)發(fā)送按照Hello Time間隔發(fā)送BDPU，直到上級網(wǎng)橋確認(rèn)收到帶有拓?fù)浯_認(rèn)標(biāo)識（TCA）的配置BPDU。