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1、计算机网络讲义(更好联通篇 STP) 西安电力高等专科学校西安电力高等专科学校 计算机工程系计算机工程系 仉万江 课程目的 基本要求基本要求 掌握STP概念，掌握以太网交换机STP设 备操作方法。 1.1 STP 简介 1. STP 的用途 STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）是 根据IEEE 协会制定的802.1D 标准建立的，用于在 局域网中消除数据链路层物理环路的协议。运行该 协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路， 并有选择的对某些端口进行阻塞，最终将环路网络 结构修剪成无环路的树型网络结构，从而防止报文 在环路网络中不断增生和无限循环，避免设备由于
2、重复接收相同的报文造成的报文处理能力下降的问 题发生。 1.1 STP 简介 2. STP 的协议报文 STP 采用的协议报文是BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），也称为配置消息。 STP 通过在设备之间传递BPDU 来确定网络的拓扑 结构。BPDU 中包含了足够的信息来保证设备完成生 成树的计算过程。 BPDU 在STP 协议中分为两类： 配置BPDU（Configuration BPDU）：用来进行 生成树计算和维护生成树拓扑的报文。 TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）：当拓扑结构发生变化时，用
3、来通知相关设 备网络拓扑结构发生变化的报文。 1.1 STP 简介 3. STP 的基本概念 (1) 根桥 树形的网络结构，必须要有树根，于是STP 引入 了根桥（Root Bridge）的概念。 根桥在全网中只有一个，而且根桥会根据网络拓 扑的变化而改变，因此根桥并不是固定的。 网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并 向外发送配置BPDU，其他的设备对该配置BPDU 进行 转发，从而保证拓扑的稳定。 (2) 根端口 所谓根端口，是指一个非根桥的设备上离根桥最近的端口 。根端口负责与根桥进行通信。非根桥设备上有且只有一个 根端口。根桥上没有根端口。 (3) 指定桥与指定端口 指定桥与指定端
4、口的含义，请参见表1-1的说明。 表1-1 指定桥与指定端口的含义 分类指定桥指定端口 对于一台设备 而言与本机直接相连并且 负责 向本机转发 配置 消息的设备 指定桥向本机转发 配 置消息的端口 对于一个局域网而言负责 向本网段转发 配 置消息的设备 指定桥向本网段转发 配置消息的端口 指定桥与指定端口如图1-1所示，AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2 分 别表示设备Device A、Device B、Device C的端口。 Device A通过端口AP1向Device B转发配置消 息，则Device B的指定桥就是Device A，指定端口 就是Device A的端口AP1
5、； 与局域网LAN相连的有两台设备：Device B和 Device C，如果Device B负责向LAN转发配置消息， 则LAN的指定桥就是Device B，指定端口就是Device B的BP2。 说明：根桥上的所有端口都是指定端口。 (4) 路径开销 路径开销是STP 协议用于选择链路的参考值。STP 协议通过计算路径开销，选择较为“强壮”的链路 ，阻塞多余的链路，将网络修剪成无环路的树型网 络结构。 4. STP 的基本原理 STP 通过在设备之间传递BPDU 来确定网络的拓扑结构。 配置消息中包含了足够的信息来保证设备完成生成树的计算 过程，其中包含的几个重要信息如下： l根桥ID：由
6、根桥的优先级和MAC 地址组成； l根路径开销：到根桥的最短路径开销； l指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC 地址组成； l指定端口ID：由指定端口的优先级和端口名称组成； l配置消息在网络中传播的生存期：Message Age； l配置消息在设备中能够保存的最大生存期：Max Age； l配置消息发送的周期：Hello Time； l端口状态迁移的延时：Forward Delay。 说明： 为描述方便，在下面的描述及举例中仅考虑 配置消息的其中四项内容： l根桥ID（以设备的优先级表示） ； l根路径开销； l指定桥ID（以设备的优先级表示 ）； l指定端口ID（以端口名称表示） 。 (1
7、) STP 算法实现的具体过程 v初始状态 各台设备的各个端口在初始时会生成以自己 为根桥的配置消息，根路径开销为0，指定桥ID 为自身设备ID，指定端口为本端口。 v最优配置消息的选择 各台设备都向外发送自己的配置消息，同时 也会收到其他设备发送的配置消息。最优配置消 息的选择过程如表1-2所示。 表1-2 最优配置消息的选择过程 步 骤 内容 1每个端口收到配置消息后的处理过程如下： 当端口收到的配置消息比本端口配置消息的优先 级低时，设备会将接收到的配置消息丢弃，对该 端口的配置消息不作任何处理。 当端口收到的配置消息比本端口配置消息的优先 级高时，设备就用接收到的配置消息中的内容替 换
8、该端口的配置消息中的内容。 2设备将所有端口的配置消息进行比较，选出 最优的配置消息。 说明： 配置消息的比较原则如下： 根桥ID 较小的配置消息优先级高； 若根桥ID 相同，则比较根路径开销，比较方 法为：用配置消息中的根路径开销加上本端口对 应的路径开销，假设两者之和为S，则S 较小的 配置消息优先级较高； 若根路径开销也相同，则依次比较指定桥ID、 指定端口ID、接收该配置消息的端口ID 等，上 述值较小的配置消息优先级较高。 v 根桥的选择 网络初始化时，网络中所有的STP 设备都认为自 己是“根桥”，根桥ID 为自身的设备ID。通过交换 配置消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID
9、 最 小的设备被选为根桥。 v 根端口、指定端口的选择 根端口、指定端口的选择过程如表1-3所示。 表1-3 根端口和指定端口的选择过程 步骤内容 1非根桥设备 将接收最优配置消息的那个端口定为根端口 2设备 根据根端口的配置消息和根端口的路径开销，为每个端口计算一个指定端口 配置消息： l根桥ID 替换为 根端口的配置消息的根桥ID； l根路径开销替换为 根端口配置消息的根路径开销加上根端口对应 的路径开销 ； l指定桥ID 替换为 自身设备 的ID； l指定端口ID 替换为 自身端口ID。 3设备 使用计算出来的配置消息和需要确定端口角色的端口上的配置消息进行比较 ，并根据比较结 果进行不
10、同的处理： l如果计算出来的配置消息优，则设备 就将该端口定为指定端口，端口上的配 置消息被计算出来的配置消息替换，并周期性向外发送； l如果端口上的配置消息优，则设备 不更新该端口的配置消息并将此端口阻塞 ，此端口将不再转发 数据，只接收但不发送配置消息。 说明： 在拓扑稳定状态，只有根端口和指定端口转发流 量，其他的端口都处于阻塞状态，它们只接收STP 协议报文而不转发用户流量。 一旦根桥、根端口、指定端口选举成功，则整个树形拓扑就建立完毕了。 下面结合例子说明STP算法实现的计算过程。具体的组网如图1-2所示， Device A的优先级为0，Device B的优先级为1，Device C
11、的优先级为2，各个 链路的路径开销分别为5、10、4。 v 各台设备的初始状态 各台设备的初始状态如表1-4所示。 表1-4 各台设备的初始状态 设备端口名称 端口的配置消息 Device AAP10，0，0，AP1 AP20，0，0，AP2 Device BBP11，0，1，BP1 BP21，0，1，BP2 Device CCP12，0，2，CP1 CP22，0，2，CP2 各台设备的比较过程及结果 各台设备的比较过程及结果如表1-5所示。 表1-5 各台设备的比较过程及结果 设备比较过程比较后端口的配置消息 Device A端口AP1收到Device B的配置消息1，0， 1，BP1，De
12、vice A发现本端口的配置消 息0，0，0，AP1优于接收到的配置消息 ，就把接收到的配置消息丢弃。 端口AP2收到Device C的配置消息2，0 ，2，CP1，Device A发现本端口的配置 消息0，0，0，AP2优于接收到的配置消 息，就把接收到的配置消息丢弃。 Device A发现自己各个端口的配置消息中 根桥和指定桥都是自己，则认为 自己是根 桥，各个端口的配置消息都不作任何修改 ，以后周期性的向外发送配置消息。 AP1：0，0，0，AP1 AP2：0，0，0，AP2 设备比较过程比较后端口的配 置消息 Device B 端口BP1 收到来自Device A 的配置消息0，0，0
13、， AP1，Device B 发现接收到的配置消息优于本端口的 配置消息1，0，1，BP1，于是更新端口BP1 的配置 消息。 端口BP2 收到来自Device C 的配置消息2，0，2， CP2，Device B 发现本端口的配置消息1，0，1， BP2优于接收到的配置消息，就把接收到的配置消息 丢弃。 BP1：0，0，0 ，AP1 BP2：1，0，1 ，BP2 Device B 对各个端口的配置消息进行比较，选出端口 BP1的配置消息为最优配置消息，然后将端口BP1 定 为根端口，它的配置消息不作改变。 Device B 根据根端口BP1 的配置消息和根端口的路径 开销5，为BP2 端口计
14、算一个指定端口配置消息0，5 ，1，BP2。 Device B 使用计算出来的配置消息0，5，1，BP2和 端口BP2 上的配置消息进行比较，比较的结果是计算 出来的配置消息较优，则Device B 将端口BP2 定为指 定端口，它的配置消息被计算出来的配置消息替换，并 周期性向外发送。 根端口BP1：0 ，0，0，AP1 指定端口BP2： 0，5，1，BP2 设备比较过程比较后端口的配置 消息 Devic e C 端口CP1 收到来自Device A 的配置消息0，0，0，AP2，Device C 发现接收 到的配置消息优于本端口的配置消息2，0，2，CP1，于是更新端口CP1 的配 置消息
15、。 端口CP2 收到来自Device B 端口BP2 更新前的配置消息1，0，1，BP2， Device C 发现接收到的配置消息优于本端口的配置消息2，0，2，CP2，于 是更新端口CP2的配置消息。 CP1：0，0，0， AP2 CP2：1，0，1， BP2 经过比较： 端口CP1 的配置消息被选为最优的配置消息，端口CP1就被定为根端口，它 的配置消息不作改变。 将计算出来的指定端口配置消息0，10，2，CP2和端口CP2 的配置消息进行 比较后，端口CP2 转为指定端口，它的配置消息被计算出来的配置消息替换。 根端口CP1： 0，0，0，AP2 指定端口CP2： 0，10，2，CP2
16、接着端口CP2 会收到Device B 更新后的配置消息0，5，1，BP2，由于收到 的配置消息比原配置消息优，则Device C触发更新过程。 同时端口CP1 收到Device A 周期性发送来的配置消息，比较后Device C 不会 触发更新过程。 CP1：0，0，0， AP2 CP2：0，5，1， BP2 经过比较： 端口CP2 的根路径开销9（配置消息的根路径开销5+端口CP2 对应的路径开 销4）小于端口CP1 的根路径开销10（配置消息的根路径开销0+端口CP1 对应 的路径开销10），所以端口CP2 的配置消息被选为最优的配置消息，端口CP2 就被定为根端口，它的配置消息就不作改变。 将端口CP1
