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1、http:/第8章 生成树协议http:/ 生成树协议学习目的与要求： 冗余链路是为了提高网络的可用性、减少网络故 障时间的重要措施。但交换机的基本工作原理导 致了这样的设计可能会在交换网络中产生广播风 暴等问题。本章介绍在交换网络中既能保证冗余 链路以提供链路备份，又能避免环路、广播风暴 等问题产生的技术生成树技术。 学完本章，你将能够： 设计冗余链路 配置生成树协议http:/ 生成树协议n8.1 交换网络中的冗余链路n8.2 生成树协议n8.3 快速生成树协议n8.4 VLAN快速生成树协议n8.5 多实例生成树协议n8.6 生成树协议的配置命令n8.7 生成树协议的配置实例 n本章小结
2、n本章实训n本章习题http:/ 交换网络中的冗余链路本节主要介绍了交换网络中的冗余链路的必要 性以及其带来的环路问题的危害性。http:/ 在由许多交换设备组成的网络环境中，为了提高网络的 可用性，保证各种网络终端包括服务器在内的设备间正常 通信，绝大多数情况下我们常在交换网络中采用多条链路 连接交换设备，形成备份链接来保证线路上的单点故障不 会影响正常网络的通信。备份连接也叫备份链路或冗余链 路。如图8-1（b）所示，交换机SW1与交换机SW2之间的链 路就是一个备份连接。在主链路（SW1与SW3的之间的链路 或者SW2与SW3之间的链路）出故障时，备份链路自动启用 ，从而提高网络的整体可
3、靠性。 http:/ 单点故障 8-1(b) 备份链路 http:/ 2.环路的危害性n广播风暴 n多帧复制 nMAC地址表的不稳定 http:/ 生成树协议本节主要介绍了生成树协议的功能以及生成树 协议的原理。http:/ 生成树协议的功能生成树协议的主要功能就是为了解决网络中由 于备份连接所产生的环路问题。当网络中有环路时，生成 树协议通过生成树算法（Spanning Tree Algorithm，SPA ）生成一个没有环路的网络，当主要链路出现故障时，能 够自动切换到备份链路，保证网络的正常通信。具体的实现方法是：生成树协议通过在交换机 上运行SPA算法，先使冗余端口置于“阻塞状态”，这
4、样 可使网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效；而当 这个链路出现障碍时，生成树协议将会重新计算出网络的 最优链路，将原处于“阻塞状态”的部分端口重新打开， 从而确保网络连接的稳定性和可靠性。http:/ 生成树协议的原理n1生成树协议的基本原理 生成树协议的主要思想就是当网络中存在环路时，通过一定的 算法将交换机的某些端口进行阻塞，从而使网络形成一个无环路的树 状结构。具体实现如下：n网络中选择了一个交换机为根交换机（Root Bridge）。n每个交换机都计算出了到根交换机（Root Bridge）的最短路径。n除根交换机外的每个交换机都有一个根口（Root Port），即提供 最短路径
5、到Root Bridge的端口。n每个LAN都有了指定交换机（Designated Bridge），位于该LAN与 根交换机之间的最短路径中。指定交换机和LAN相连的端口称为指定端 口（Designated port）。n根口（Root port）和指定端口（Designated port）进入转发 (Forwarding)状态。n其他的冗余端口就处于阻塞状态（Forwardign或Discarding）。http:/ 生成树协议的原理n2生成树协议的工作过程 SW1Priority: 80-00 (00-00-0C-AA-AA-AA)SW2Priority: 80-00 (00-00-0C-
6、BB-BB-BB)SW3Priority: 80-00 (00-00-0C-CC-CC-CC)Port1 Port2Port1Port2Port1 Port2Path Cost：4Path Cost：4Path Cost：10图8-2 STP工作过程 http:/ 生成树协议的原理n2生成树协议的工作过程 （1）在网络中选择一个交换机为根交换机（Root Bridge）正如所有的树都有树根，生成树也需要一个根，这通过在网络 中选择一个根交换机来实现。在网络中，所有的交换机都分配了一个 优先级别，具有最小优先级别的交换机将成为根交换机。如果所有交 换机的优先级别都相同，则具有最小MAC地址的交换
7、机会成为根交换机 。一开始所有交换机都通过发送带有自身交换机ID和优先级别的hello 数据包声称自己是根交换机，如果有一个交换机收到另一个交换机的 hello数据包，发现对方比自己更适合成为根交换机时，就停止声明自 己是根交换机，而开始转发这个更好的交换机的hello数据包，最终将 有一个交换机在选举中胜出，所有的交换机都支持该交换机成为根交 换机。http:/ 生成树协议的原理n2生成树协议的工作过程 （2）根端口的选择 除根交换机以外的的每台交换机都将选择一个根端口(Root Port)，或者说是选择一个“最靠近”根交换机的端口，这是通过判断 出有最小根路径成本(Lowest Root
8、Path Cost)的端口实现的。所谓端 口根路径成本是指从该端口到根交换机的路径成本。 （）指定端口的选择 在每个网段选择一个交换机端口处理该段网络的流量，在网段内有 最小根路径成本的端口就成为指定端口(designated port)，如图8-2 中交换机SW2的Port2端口。http:/ 生成树协议的原理n2生成树协议的工作过程 （）删除桥接环根端口和指定端口进入转发Forwarding状态，既不是根端口也 不是指定端口的交换机端口被设为阻塞状态，如SW1的Port1和SW3的 Port1。这一步断开了不设置阻塞将会形成的所有桥接环(bridging loop)。http:/ 生成树协
9、议的原理n生成树协议的端口状态Disabled(禁用)：为了管理目的或者因为发生故障将端口关闭 。Blocking(阻塞)：在初始启用端口之后的状态。端口不能接收 或者传输数据，不能把MAC地址加入它的地址表，只能接收BPDU。如果 检测到有一个桥接环，或者如果端口失去了根端口或者指定端口的状 态，就会返回到阻塞状态。Listening(监听)：若一个端口可以成为一个根端口或者指定 端口，则转入监听状态。该端口不能接收或传输数据，也不能把MAC地 址加入到它的地址表，只能接收或发送BPDU。http:/ 生成树协议的原理n生成树协议的端口状态Learning(学习)：在转发延时(Forward
10、 Delay)计时时间（默 认为15秒）之后，端口进入学习状态。端口不能传输数据，但可以发 送和接收BPDU。现在可以学习MAC地址，并将其加入到地址表中。 Forwarding(转发)：在下一次转发延时计时时间（默认为15秒）之 后，端口进入转发状态。端口现在能够发送和接收数据、学习MAC地址，还能发送和接收BPDU。 http:/ 生成树协议的原理n生成树协议的缺点STP协议的缺陷主要表现在收敛速度上。当网络拓扑发生变化时，新的BPDU要经过一定的时延才能传播 到整个网络，这个时延称为转发延时，协议默认值是15秒。在所有交 换机收到这个变化的消息之前，若旧拓扑结构中处于转发的端口还没 有发
11、现自己应该在新的拓扑中停止转发，则可能存在临时环路。为了 解决临时环路的问题，生成树使用了一种定时器策略，即在端口从阻 塞状态到转发状态中间加上一个只学习MAC地址但不参与转发的中间状 态，两次状态切换的时间长度都是Forward Delay，这样就可以保证在 拓扑变化的时候不会产生临时环路。但是，这个看似良好的解决方案 实际上带来的却是至少两倍转发延时的收敛时间。 http:/ 生成树协议的原理n生成树协议的缺点描述生成树性能的三个计时器 Listening (侦听)发送延迟Blocking (阻塞)最大保留时间Learning (学习)发送延迟 Forwarding (发送)时间http:
12、/ 生成树协议的原理n生成树协议的缺点Hello timer(BPDU发送间隔)：定时发送BPDU报文的时间间隔 ，默认为2秒。Forward-Delay timer(发送延迟)：端口从listening转变向 learning,或者从learning转向forwarding状态的时间间隔，默认为15 秒。Max-Age timer(最大保留时间)：BPDU 报文消息生存的最长时 间。当超过这个时间，报文消息将被丢弃，默认为20秒。生成树经过一段时间（默认值是50秒左右）稳定之后，所有端 口或者进入转发状态，或者进入阻塞状态。STP BPDU仍然会定时（默 认1次/2秒）从各个交换机的指定端口
13、发出，以维护链路的状态。如果 网络拓扑发生变化，生成树就会重新计算，端口状态也会随之改变。http:/ 生成树协议的原理n生成树协议的发展在生成树协议发展过程中，老的缺陷不断被克服，新的特性不 断被开发出来。按照大功能点的改进情况，我们可以把生成树协议的 发展过程划分成三代。第一代生成树协议：STP/RSTP第二代生成树协议：PVST/PVST+第三代生成树协议：MISTP/MSTPhttp:/ 快速生成树协议本节主要介绍了快速生成树协议的改进之 处、快速生成树的形成过程以及快速生成树 与生成树之间的兼容性。http:/ RSTP协议在STP协议基础上作了以下三点重要改进， 使得收敛速度大大加
14、快。(1)为根端口和指定端口设置了快速切换用的替换端 口（Alternate Port）和备份端口（Backup Port）两种角色 ，当根端口或指定端口失效的情况下，替换端口或备份端口就 会无时延地进入转发状态。图8-4中所有交换机都运行RSTP协 议，SW1是根交换机，假设SW2的端口1是根端口，端口2将能够 识别这个拓扑结构，成为根端口的替换端口，进入阻塞状态。 当端口1所在链路失效的情况下，端口2就能够立即进入转发状 态，无需等待两倍转发延时时间。http:/ （2）在只连接两个交换端口的点对点链路中，指定 端口只需与下游交换机进行一次握手就可以无时延地进入转发 状态。如果是连接了三个以上交换机的共享链路，下游交换机 是不会响应上游指定端口发出的握手请求的，只能等待两倍转 发延时进入转发状态。（3）直接与终端相连而不是把其他交换机相连的端 口定义为边缘端口（Edge Port）。边缘端口可以直接进入
