网络运维与网络安全 学习笔记2023.11.19

网络运维与网络安全 学习笔记 第二十天
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今日目标

STP工作原理、STP高级配置、MSTP工作原理
MSTP配置案例、MSTP负载均衡

STP工作原理

单点故障
PC之间的互通链路仅仅存在1个
任何一个设备或链路出现问题,PC之间都会无法通信
解决方案
增加冗余/备份设备
增加冗余/备份链路
新的问题
数据环路导致的广播风暴
每个链路都是互通的
交换机收到无法识别的数据帧后进行广播,形成广播风暴
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广播帧在交换机之间一直循环下去,从而消耗系统资源,降低传输质量
广播帧的不断增多,还会导致设备宕机重启
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STP概述
STP - Spannig Tree Protocol(生成树协议)
逻辑上断开链路,防止广播风暴的产生。即阻塞某些端口,破除环路。
当主线路故障,阻塞接口被激活;主线路恢复,备份下路再次被阻塞。
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STP工作原理
步骤一:确定交换机角色
根交换机
非根交换机
步骤二:确定端口角色
根端口
指定端口
非指定端口
步骤三:确定端口状态
禁用:接口没有启动STP,或者接口处于关闭状态
侦听:正在比较STP报文,确定交换机和端口角色
学习:正在学习MAC地址表
转发:可以正常接收和发送用户数据包
阻塞:阻塞端口,不能转发用户数据包
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网桥ID
网桥ID(BID)
STP协议为交换机取的名字,用于在交换网络中唯一标识该设备
通过比较每隔交换机的BID,来选举根交换机:BID越小越好
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确定交换机角色
根据网桥ID,选择根交换机
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确定端口角色
首先选举根端口
每一个非根交换机上,有且只有1个,距离根交换机最近的端口
其次选举指定端口
每一个链路上,有且只有1个,距离根交换机最近的端口
最后确定非指定端口
除了根端口和非指定端口,剩余所有端口都叫做非指定端口
端口角色的选举原则
首先比较端口到根交换机的开销,越小越好
其次比较端口所在交换机的BID,越小越好
最后比较端口的PID,越小越好
选举根端口
路径成本,默认情况下千兆链路成本为20000,百兆链路为200000
端口标识(Port Identifier)
端口标识越小越优先,由端口优先级和端口号两部分组成,端口优先级可配置,默认128
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在非根网桥上,选择一个根端口(RP)
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选举指定端口
在每个网段上,选择1个指定端口
距离根网桥的路径成本较小
网桥ID较小
端口ID较小
根桥上的端口全是指定端口
在每个网段选择一个指定端口(DP)
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最后剩下的端口被阻塞
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最终形成“数据转发路径”
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被“阻塞”的链路,作为“备份链路”
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STP高级配置

BPDU
BPDU
Bridge Protocol Data Unit - 桥协议数据单元,即STP协议的报文
通过这种类型的报文,STP协议实现了自己的所有功能
BPDU类型
配置BPDU(configuration BPDU)
拓扑变更通知(TCN)BPDU
BPDU包含的关键字(4个),用于选举交换机角色和端口角色
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BPDU选择根网桥
当交换机启动时,都假定自己时根网桥
在向外发送的BPDU中根网桥ID字段填写自己的网桥ID
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当接收到其他交换机发出的BPDU后,比较网桥ID,选择较小的添加到根网桥ID中
当全网所有的交换机接收到全部的BPDU并作比较后,就可以选择除唯一的一个根网桥
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STP的收敛
STP端口的5种状态
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STP的3种计时器,用于维护STP转发路径及恢复STP故障链路
Hello时间:一个端口上发送BPDU的时间间隔,默认时2s;
转发延迟(Forward delay):端口在侦听和学习状态,分别停留的时间
最大老化时间(Max Age):一个端口最大的“没有接收BPDU”的时间间隔
STP的收敛时间为:30s~50s,非常慢
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STP的配置命令
启动或关闭交换机的STP功能
默认情况下交换机的STP功能处于开启状态
[Huawei]stp { enable | disable }
选择交换机的STP运行模式
默认情况下交换机的STP运行模式为MSTP
[Huawei]stp mode { stp | rstp | mstp }
修改交换机的STP优先级
默认值为32768
[Huawei]stp priority {priority}
更改端口的STP cost,在端口上开启/关闭STP功能
[Huawei]interface gi0/0/11
[Huawei-gi0/0/11]stp cost {value}
[Huawei-gi0/0//11]stp {enbale | disable}
查看当前交换机运行的STP的模式、优先级、根交换机
通过修改交换机的优先级来指定根交换机
查看交换机的端口角色和状态
[Huawei]stp mode stp
[Huawei]disable stp brief
[Huawei]stp priority 4096
[Huawei]disable stp brief

MSTP工作原理

STP回顾
弊端
收敛时间慢:30s~50s
设备利用率低
方案
RSTP,快速生成树协议
MSTP,多生成树协议

RSTP概述
RSTP,即Rapid STP,快速生成树协议
共有标准协议,俗称IEEE 802.1w,在STP的基础上优化而来
细化了端口角色
精简了端口状态
改变拓扑变更机制
引入了P/A机制
收敛时间,可以提升至毫秒级
弊端
和STP协议一样。整个交换网络中,仅仅存在一个生成树,所有的VLAN的数据转发路径是相同的。
交换机之间的多个链路,只能实现备份的租用,
永远只会使用其中的主链路转发数据,备份链路无法使用,从而无法提高设备利用率。

MSTP概述
MSTP,即Multiple STP,多生成树协议
公有标准协议,俗称IEEE 802.1s,在RSTP的基础上优化而来
继承了RSTP的所有优点
引入了实例(instance)的概念,实现基于实例的负载均衡。
不但可以实现多个链路之间的备份,还可以提高多个链路的利用率
在MSTP中,可以存在很多个“生成树”,称之为“实例”
默认情况下,所有的VLAN都属于同一个默认的实例 - Instance 0
可以基于需求,可以将不同的VLAN分配到不同的实例中
不同的实例,就是不同的“生成树”,就对应着多个不用的“根”
每个“生成树”的形成过程,和RSTP都是类似的
MSTP工作原理
MSTP的工作过程,与STP/RSTP的流程,是类似的
选举交换机角色(和stp协议,角色相同)
根交换机
非根交换机
选举端口角色(比stp协议,细化端口角色)
根端口,指的是非根交换机上距离根交换机最近的口
指定端口,指的是网段上距离根交换机最近的口
替代端口,指的是非交换机上的“根端口”的替代端口
备份端口,指的是网段上的“指定端口”的备份端口
确定端口状态(比stp协议,简化端口状态)
Discarding (丢弃),相当于STP中的禁用、侦听、阻塞,不转发用户数据
Learning (学习),和STP中的学习状态相同
Forwarding (转发),和STP中的转发状态相同
配置思路
每个交换机创建相同的VLAN
交换机之间的链路配置为Trunk,允许所有的VLAN通过
交换机启用STP协议,配置模式为MSTP
交换机指定MSTP的域名、实例和VLAN的对应关系
交换机上激活MSTP的配置
验证与测试MSTP的配置

MSTP配置案例

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需求描述
VLAN10中存在2个终端设备,IP地址属于192.168.10.0/24网段
VLAN20中存在2个终端设备,IP地址属于192.168.20.0/24网段
配置MSTP,实现VLAN10的终端通信路径是:SW1-SW2
配置MSTP,实现VLAN20的终端通信路径是:SW3-SW4

配置步骤
①配置PC1/PC2/PC3/PC4的IP地址
②配置SW1/SW2/SW3/SW4的VLAN 、Trunk、Access
undo terminal monitor
system-view
[Huawei]sysname SW1
[SW1]vlan batch 10 20
[SW1]interface gi0/0/12
[SW1-Gigabitethernet0/0/12]port link-type trunk
[SW1-Gigabitethernet0/0/12]port trunk allow-pass vlan all
[SW1-Gigabitethernet0/0/12]quit
[SW1]interface gi0/0/13
[SW1-Gigabitethernet0/0/13]port link-type trunk
[SW1-Gigabitethernet0/0/13]prot trunk allow-pass vlan all
[SW1-Gigabitethernet0/0/13]quit
[SW1]interface gi0/0/1
[SW1-Gigabitethernet0/0/1]port link-type access
[SW1-Gigabitethernet0/0/1]prot default vlan 10
[SW1-Gigabitethernet0/0/1]quit

undo terminal monitor
system-view
[Huawei]sysname SW2
[SW2]vlan batch 10 20
[SW2]interface gi0/0/12
[SW2-Gigabitethernet0/0/12]port link-type trunk
[SW2-Gigabitethernet0/0/12]port trunk allow-pass vlan all
[SW2-Gigabitethernet0/0/12]quit
[SW2]interface gi0/0/13
[SW2-Gigabitethernet0/0/13]port link-type trunk
[SW2-Gigabitethernet0/0/13]prot trunk allow-pass vlan all
[SW2-Gigabitethernet0/0/13]quit
[SW2]interface gi0/0/1
[SW2-Gigabitethernet0/0/1]port link-type access
[SW2-Gigabitethernet0/0/1]prot default vlan 10
[SW2-Gigabitethernet0/0/1]quit

undo terminal monitor
system-view
[Huawei]sysname SW3
[SW3]vlan batch 10 20
[SW3]interface gi0/0/12
[SW3-Gigabitethernet0/0/12]port link-type trunk
[SW3-Gigabitethernet0/0/12]port trunk allow-pass vlan all
[SW3-Gigabitethernet0/0/12]quit
[SW3]interface gi0/0/13
[SW3-Gigabitethernet0/0/13]port link-type trunk
[SW3-Gigabitethernet0/0/13]prot trunk allow-pass vlan all
[SW3-Gigabitethernet0/0/13]quit
[SW3]interface gi0/0/1
[SW3-Gigabitethernet0/0/1]port link-type access
[SW3-Gigabitethernet0/0/1]prot default vlan 20
[SW3-Gigabitethernet0/0/1]quit

undo terminal monitor
system-view
[Huawei]sysname SW4
[SW4]vlan batch 10 20
[SW4]interface gi0/0/12
[SW4-Gigabitethernet0/0/12]port link-type trunk
[SW4-Gigabitethernet0/0/12]port trunk allow-pass vlan all
[SW4-Gigabitethernet0/0/12]quit
[SW4]interface gi0/0/13
[SW4-Gigabitethernet0/0/13]port link-type trunk
[SW4-Gigabitethernet0/0/13]prot trunk allow-pass vlan all
[SW4-Gigabitethernet0/0/13]quit
[SW4]interface gi0/0/1
[SW4-Gigabitethernet0/0/1]port link-type access
[SW4-Gigabitethernet0/0/1]prot default vlan 20
[SW4-Gigabitethernet0/0/1]quit
③配置MSTP(SW1/2/3/4的基本MSTP配置,都相同)
[SW1]stp mode mstp
[SW1]stp region-configuration
[SW1-mst-region]region-name HCIE
[SW1-mst-region]instance 1 vlan 10
[SW1-mst-region]instance 2 vlan 20
[SW1-mst-region]active region-configuration
④配置SW1为VLAN10 的根交换机
[SW1]stp instance 1 priority 0
⑤配置SW3为VLAN20的根交换机
[SW3]stp instance 2 priority 0

MSTP负载均衡

STP/RSTP的弊端
所有的VLAN公用一个“生成树”,防止环路的同时只能确保一半的设备得到利用,另外一半的设备仅仅用作“备份”,无法提高设备的利用率

MSTP负载均衡
不同的VLAN关联到不同的实例
不同的实例的根交换机放置在不同的交换机上
不同的VLAN通过不同的根交换机进行数据的转发,从而确保提高设备的利用率,同时设备之间还能实现备份
需求描述
PC1属于VLAN10,IP地址为192.168.10.1/24,网关为192.168.10.254
PC2属于VLAN20,IP地址为192.168.20.1/24,网关为192.168.20.254
确保PC1与PC2互通
合理配置MSTP,确保PC1与PC2之间的互通路径是最优的
在这里插入图片描述
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配置步骤:
①配置PC1/2的IP地址
②配置SW1/SW2/SW3的基本信息
创建VLAN10和20
配置交换机之间的链路为Trunk,并允许vlan10和20
配置交换机与PC/路由器之间的链路为Access,并加入到正确的VLAN
③配置MSTP(SW1/2/3的配置相同)
stp mode mstp
stp region-configuration
region-name HCIE
instance 1 vlan 10
instance 2 vlan 20
active region-configuration
quit
④配置主根与次根
[SW1]stp instance 2 priority 4096
[SW1]stp instance 1 priority 8192
[SW2]stp instance 1 priority 4096
[SW2]stp instance 2 priority 8192
⑤查看负载均衡
[SW1]display stp brief
[SW2]display stp brief
[SW3]display stp brief

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