生成树协议

生成树协议

生成树协议是一基于OSI网路模型的数据链路层(第二层)通讯协定,用作确保一个无回圈的区域网络环境。通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络二层环路的目的,同时具备链路的备份功能,又称扩展树协定。

在一个二层交换网络中,生成一棵树型结构,逻辑的阻塞部分接口,使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径;当最佳路径故障时,自动打开部分阻塞端口,来实现线路备份的作用;

生成树协议的作用

在由交换机构成的交换网络中通常设计有冗余链路和设备。这种设计的目的是防止一个点的失败导致整个网络功能的丢失。虽然冗余设计可能消除的单点失败问题,但也导致了交换回路的产生,它会带来如下问题:

1、广播风暴

2、MAC地址表翻滚 ---在一台交换机上,同一个MAC地址只能映射唯一的接口;但同一个接口可以映射多个不同的MAC地址;

3、同一数据帧的重复拷贝

4、以上3个条件最终导致设备工作过载,导致重启保护

生成树在生成过程中,应该尽量的生成一棵星型结构,且最短路径树;

存在这几种:

 802.1D     

 PVST PVST+(CISCO)      cisco私有

RSTP(802.1w)      

MSTP(802.1S)

802.1D 普通生成树

一个交换网络内仅存在一棵生成树

交换机间使用BPDU—桥协议数据单元 – 交换机间沟通互动收发的数据

配置BPDU—只有根网桥可以发送,在交换网络初始状态时,所有交换机均定义本地为根网桥,进行BPDU的发送;使得网络中所有交换机均收到其他设备的BPDU,之后基于数据中的参数进行比对,选举出根网桥;再所有非根网桥不再发送BPDU,而是仅接收和转发根网桥的BPDU;周期2s发送,hold time 20s;

TCN—拓扑变更消息(也是BPDU): 本地交换机链路故障后,STP重新收敛,为了快速刷新全网所有交换机的MAC表,将向本地所有STP接口发送TCN(标记位中的TCN位置1),邻居交换机收到TCN后,先标记为ACK位为回复,用于可靠传输消息;之后将TCN逐级转发到根网桥处,由根网桥回复TC消息来逐级回复到所有交换机;使所有交换机临时将MAC表的老化时间修改为15s(默认的,转发延时)

生成树的选举规则:

  1. 根网桥 – 在一棵生成树实例中,有且仅有一台交换机为root;

BPDU中的 桥ID来决定

桥ID= 网桥优先级(0-65535公有) 默认32768 +  MAC地址(只有存在svi接口的交换机才拥有mac地址,若存在多个mac选数值最小)

根网桥的选举   先比较优先级,小优;   若优先级相同,比较mac,数值小优;

  1. 根端口—在每台非根网桥上,有且仅有一个接口;本地离根网桥最近的接口(最短、星型),接收来自根网桥的BPDU,转发用户的流量(该接口不阻塞)

规则:

1、比较从根网桥发出后,通过该接口进入时最小的cost值

    2、入向cost值相同,比较该接口对端设备的BID,小优

    3、对端BID也相同,比较该接口对端设备的接口的PID;先优先级小,若优先级一致,编号小

    4、连对端PID也相同,比较本地PID,小优;

PID=端口ID   接口优先级(0-240,步长16,默认128)      接口编号

  1. 指定端口,在每一段存在STP的物理链路上,有且仅有一个;转发来自根网桥的BPDU,同时可以转发用户流量(不阻塞);默认根网桥上所有接口为指定端口;

1、比较从根网桥发出后,通过该接口进入这段链路时的cost值最小(出向)

    2、若出向cost值相同,必须本地的BID,小优;

    3、本地BID相同,比较本地的PID;

    4、本地PID,相同,直接阻塞该端口;

【4】非指定端口(阻塞端口)当以上所有角色全部选举完成后,剩余没有任何角色的接口为非指定;

 该接口逻辑阻塞,实际可以接收到信息,但不转发;

cost值:不同带宽 存在不同cost

802.1d标准:          802.1T标准

10M = 100             1000M= 20000

100M=19              100M=200000

1000M=4

10000M=2

>100000M=1

接口状态:

down:没有BPDU收发,一旦可以进行BPDU收发进入下一状态

侦听:强制15s;所有交换机进行BPDU收发,选举所有角色;接口角色为非指定端口直接进入阻塞状态;

      若为指定端口和根端口进入下一状态;

学习:强制15s; 指定端口和根端口学习所有接口连接设备的MAC地址,生成MAC表;之后进入下一状

       态;

转发:指端端口和根端口进入,可以转发用户报文;

阻塞:逻辑阻塞;

注:只有到接口进入到转发状态后,才能为用户转发数据报文,之前的30s不能转发任何数据;

收敛时间:

初次收敛—30s =  15侦听+15s学习

结构变化:

存在直连检测:本地存在阻塞端口,若其他端口断开,该阻塞端口马上进入15是侦听(选举);结果若为

              启用,那么将再进入15s学习---总30s

没有直连检测:本地不存在阻塞端口,若某个端口断开,将发送次优BPDU(以本地为根)给其他邻居交换机,其他交换机无视该数据,进行20s hold time计时,到时时阻塞接口进入15s侦听,15s学习=总50s

802.1D 缺点:

1、收敛慢

2、链路利用率低

PVST  cisco私有     基于vlan的生成树协议

在每个vlan内,存在一棵树,每个树的工作原理同802.1d一致;不同vlan的BPDU区别在于优先级;

优先级=4096倍数+vlan id   人为仅可修改4096倍数备份,且只能修改为4096的整倍

仅支持  trunk干道封装为ISL(cisco私有封装)

PVST +     在PVST的基础,兼容802.1q的trunk封装;且设计了部分的加速;

  端口加速(进入层连接用户的接口)      上行链路加速-针对直连检测      骨干加速—针对次优BPDU

上行链路加速仅在接入层设备上配置,因为配置后,该交换机将自动加大本地的网桥优先级;

在直连检测条件下阻塞接口将跳过30s,直接进入转发状态--上行链路加速

骨干加速所有交换机均可配置,针对接收到次优BPDU的阻塞端口可以跳过20s的hold time;

缺点:1、收敛慢(加速不彻底)     2、树多(仅cisco存在单独的芯片,友商无法负荷)

快速生成树   

cisco的RSTP   ---    基于vlan的快速生成树  - 一个vlan一棵树    pvst+的升级

公有RSTP(802.1w) --- 整个交换网络一棵树                       802.1d的升级

快速的原理:

  1. 取消了计时器,而是在一个状态工作完成后,直接进入下一状态;
  2. 分段式同步,两台设备间逐级收敛;使用请求和同意标记;依赖标记位的第1和第6位
  3. BPDU的保活为6s;hello time 2s;
  4. 将端口加速(边缘接口)、上行链路加速、骨干加速集成了
  5. 兼容802.1d和PVST,但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位,故不能快速收敛;因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛,那么其他开启快速收敛的设备也不能快速;

当tcn消息出现时,不需要等待根网桥的BPDU,就可以刷新本地的cam表;

MSTP/MST/802.1S     华为设备默认使用该协议

继承了快速生成树的基础;  将多个vlan放置于一个组内,基于每个组一棵生成树;

不同组间的BPDU中优先级= 4096倍数+组号

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