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1、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTDHUAWEI Confidential Security Level: 生成树协议原理ISSUE 1.0HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential l生成树协议解决了交换网络可能会出现的网络风暴问题Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 学习指南l开篇通过讲述交换网络可能面临的问题引出生成树协议l重点理解生成树协议的工作机制和不同版本的生成树协议所解决的问题Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., L
2、TD.HUAWEI Confidential 参考资料lIEEE 802.1d lIEEE 802.1wPage HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential l学习完此课程，您将会：了解STP协议产生的背景掌握STP工作原理掌握RSTP工作原理Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 第第第第1 1 1 1章章章章 STPSTPSTPSTP的产生原因的产生原因的产生原因的产生原因第第2 2章章 STPSTP的基本原理的基本原理第第3 3章章 RSTPRSTP的基本原理的基本原
3、理Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 透明网桥的应用l拓展LAN的能力。l自主动态学习站点的地址信息。l问题：一般的透明网桥不会对转发的报文做任何记号，这样，如果网络中存在回路，则有可能报文在回路中不断循环转发，造成网络拥塞。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 冗余链路产生的问题Mac地址表不稳定LAN 1LAN 1LAN 2LAN 2Host AHost AMac: 00-E0-FC-F4-67-Mac: 00-E0-FC-F4-67-2C2CHos
4、t BHost BMac: 00-E0-FC-F4-45-Mac: 00-E0-FC-F4-45-7D7DMac Address TableMac Address Table Port 1:00-E0-FC-F4-67-2CPort 1:00-E0-FC-F4-67-2CMac Address Table Mac Address Table Port 1:00-E0-FC-F4-67-2CPort 1:00-E0-FC-F4-67-2CX XY YPort 1Port 1Port 2Port 2Port 2:00-E0-FC-F4-67-2CPort 2:00-E0-FC-F4-67-2CPa
5、ge HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 冗余链路产生的问题广播风暴LAN 1LAN 1LAN 2LAN 2Host AHost AMac: 00-E0-FC-F4-67-Mac: 00-E0-FC-F4-67-2C2CHost BHost BMac: 00-E0-FC-F4-45-Mac: 00-E0-FC-F4-45-7D7DMac Address TableMac Address Table Port 1:00-E0-FC-F4-67-2CPort 1:00-E0-FC-F4-67-2CPort 2:00-E0-FC-F4-4
6、5-7DPort 2:00-E0-FC-F4-45-7DMac Address Table Mac Address Table Port 1:00-E0-FC-F4-67-2CPort 1:00-E0-FC-F4-67-2CPort 2:00-E0-FC-F4-45-7DPort 2:00-E0-FC-F4-45-7DX XY YPort 1Port 1Port 2Port 2二层广播数据帧二层广播数据帧1 12 23 32 23 31 11 1Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 为什么引入生成树协议l通过阻断冗余链路来消
7、除桥接网络中可能存在的路径回环l当前活动路径发生故障时激活冗余备份链路恢复网络连通性ROOTROOTLAN ALAN ALAN BLAN BLAN CLAN CLAN DLAN DLAN ELAN EPage HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 第第1 1章章 STPSTP的产生原因的产生原因第第第第2 2 2 2章章章章 STPSTPSTPSTP的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理第第3 3章章 RSTPRSTP的基本原理的基本原理Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confide
8、ntial 生成树协议的基本原理l基本思想：在网桥之间传递特殊的消息（配置消息），包含足够的信息做以下工作：从网络中的所有网桥中，选出一个作为根网桥（Root）计算本网桥到根网桥的最短路径对每个LAN，选出离根桥最近的那个网桥作为指定网桥，负责所在LAN上的数据转发网桥选择一个根端口，该端口给出的路径是此网桥到根桥的最佳路径选择除根端口之外的包含于生成树上的端口（指定端口）Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置消息的内容l配置消息也被称作桥协议数据单元（BPDU）l主要内容包括根网桥的Identifier（RootID）
9、从指定网桥到根网桥的最小路径开销（RootPathCost）指定网桥的Identifier指定网桥的指定端口的Identifier即（RootID，RootPathCost，DesignatedBridgeID，DesignatedPortID）Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置消息格式lDMA：目的MAC地址配置消息的目的地址是一个固定的桥的组播地址（0x0180c2000000）lSMA：源MAC地址即发送该配置消息的桥MAC地址lL/T：帧长lLLC Header：配置消息固定的链路头lPayload：BPDU
10、数据DMADMALLC HeaderLLC HeaderSMASMAL/TL/TPayloadPayload值值 域域占用字占用字节节协议协议IDID2 2协议版本协议版本BPDU类型类型标志位标志位根桥根桥IDID根路径开销根路径开销指定桥指定桥IDID指定端口指定端口IDIDMessage Age1 11 11 18 84 48 82 22 2Max AgeHello TimeForward Delay2 22 22 2Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置消息格式l协议ID(2 字节)当前保留没有被利用l协议版本(
11、1 字节)如果两大小不一的协议版本数字比较,则数字越大的将被认为最新定义的协议版本lBPDU类型(1 字节)类型域仅仅服务于区分BPDU的类型;在不同类型BPDU之间没有任何关系l标志位(1 字节)被用来表示拓扑的变化,当拓扑发生变化时被置1,反之则置0l根桥ID(8 字节)表示当前网络里的根桥,包括:网桥优先级 (2 字节)网桥的Mac地址 (6 字节)Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置端口开销l根路径开销(4 字节)网桥到达根网桥的路径开销,数值大小可以由网桥自动配置或手动配置参数参数链路带宽链路带宽推荐值推荐值
12、推荐范围推荐范围范围范围路径开销4Mb/s250100-10001-65535路径开销10Mb/s10050-6001-65535路径开销16Mb/s6240-4001-65535路径开销100Mb/s1910-601-65535路径开销1Gb/s43-101-65535路径开销10Gb/s21-51-65535Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置消息格式l指定网桥ID(8 字节)指发送BPDU的网桥,包括:网桥优先级 (2 字节)网桥的Mac地址 (6 字节)l指定端口ID(2 字节)指发送BPDU的网桥端口,包括:
13、端口优先级端口号Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置消息格式lMessage Age(2 字节)BPDU的有效存活时间lMaximum Age(2 字节)BPDU的最大有效存活时间,默认为20秒lHello Time(2 字节)周期发送BPDU的时间间隔,默认为2秒lForward Delay(2 字节)端口转入发送状态的时延,默认为15秒Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 配置消息的处理l将各个端口收到的配置消息和自己的配置消息做比较，得出优先级
14、最高的配置消息更新本身的配置消息，主要工作有：选择根网桥RootID：最优配置消息的RootID计算到根桥的最短路径开销RootPathCost：如果自己是根桥，则最短路径开销为0，否则为它所收到的最优配置消息的RootPathCost与收到该配置消息的端口开销之和选择根端口RootPort：如果自己是根桥，则根端口为0，否则根端口为收到最优配置消息的那个端口选择指定端口：包括在生成树上处于转发状态的其他端口l从指定端口发送新的配置消息Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 如何确定最优的配置消息l配置消息的优先级比较原则，假
15、定有两条配置消息C1和C2，则：如果C1的RootID小于C2的RootID，则C1优于C2如果C1和C2的RootID相同，但C1的RootPathCost小于C2，则C1优于C2如果C1和C2的RootID和RootPathCost相同，但C1的TransmitID小于C2，则C1优于C2如果C1和C2的RootID、RootPathCost和TransimitId相同，但C1的PortID小于C2，则C1优于C2Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 一个接受并处理配置消息的例子Port 1Port 1Port 2Por
16、t 2Port 3Port 3 Port 4Port 4Port 5Port 5B81B81LAN ALAN AB23B23RootRootB80B80B100B100B321B321B32B32B123B123B47B47B74B74B55B55B155B155B102B102Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 一个接受并处理配置消息的例子l根据收到配置消息的优先级，选择Port4为根端口，选择Port1和Port2为指定端口，同时阻塞端口Port3和Port5。l从Port1和Port2发送新的配置消息：（23，15，
17、81），其中，RootId = 23RootPathCost = 14+1 = 15RootPort = Port4Port 1Port 1Port 2Port 2Port 3Port 3 Port 4Port 4Port 5Port 5blockingblockingblockingblocking3232，0 0，32322323，1818，1231232323，1414，3213212323，1414，1001002323，1515，80 80 rootroot2323，1515，8181B81B812323，1515，8181Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO.,
18、LTD.HUAWEI Confidential 链路故障怎么办lHello Time网桥从指定端口以Hello Time为周期定时发送配置消息。lMessage Age和Max Age端口保存的配置消息有一个生存期Message Age字段，并按时间递增。每当收到一个生存期更小的配置消息，则更新自己的配置消息。当一段时间未收到任何配置消息，生存期达到Max Age时，网桥则认为该端口连接的链路发生故障，进行故障的处理。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 链路故障处理一lPort4的配置消息生存期超时了, 则抛弃该配置消息,
19、 重新进行生成树计算, 选择Port3为新的根端口，而网桥81的配置消息没有变化2323，1818，123123Port 1Port 1Port 2Port 2Port 3Port 3 Port 4Port 4Port 5Port 5blockingblocking2323，1414，3213212323，1515，80 80 2323，1515，81 81 rootrootB81B813232，0 0，32322323，1515，81812323，1515，8181Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 链路故障处理二lPo
20、rt3的配置消息生存期也超时了，则抛弃该配置消息，重新进行生成树计算，选择Port5为新的根端口，网桥81的配置消息变为（23，16，81）Port 1Port 1Port 2Port 2Port 3Port 3 Port 4Port 4Port 5Port 52323，1515，80 80 2323，1616，81 81 rootroot2323，1616，81 81 3232，0 0，32322323，1818，1231232323，1616，81812323，1616，8181B81B81Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confident
21、ial 链路故障处理三lPort5的配置消息生存期也超时了，则抛弃该配置消息，以自己为根桥发送配置消息（81，0，81），直到从任一个端口收到优先级更高的配置消息Port 1Port 1Port 2Port 2Port 3Port 3 Port 4Port 4Port 5Port 58181，0 0，81818181，0 0，81818181，0 0，81 81 8181，0 0，81 81 8181，0 0，81 81 B81B81Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 临时回路的问题l当拓扑结构发生变化，新的配置消息要经过
22、一定的时延才能传播到整个网络，在所有网桥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现自己应该在新的拓扑中停止转发，则可能存在临时的回环；若旧的拓扑结构中阻塞的端口还没有发现自己应该在新的拓扑结构中开始转发，则可能造成网络暂时失去连通性。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 如何避免临时回路l端口由阻塞状态进入转发状态时，要经过一定时间的延时，这个时间起码是配置消息传播到整个网络所需最大时间的两倍。lForward Delay：配置消息传播到整个网络的最大时延设计中间状态：处于中间状态的端口只是学习站点的地址
23、信息，但不转发数据；端口从阻塞状态经过Forward Delay的延时后进入中间状态；再经过Forward Delay的延时后才能进入转发状态。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 端口的几种状态端口状态端口状态端口能力端口能力Disabled不收发任何报文Blocking不接收或转发数据，接收但不发送BPDUs，不进行地址学习Listening不接收或转发数据，接收并发送BPDUs，不进行地址学习Learning不接收或转发数据，接收并发送BPDUs，开始地址学习Forwarding接收并转发数据，接收并发送BPDUs，进
24、行地址学习Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential （1 1，2 2）（1 1）（2 2）（1 1，2 2）（1 1，2 2）（1 1）（2 2）端口的状态迁移DisabledDisabledListeningListeningBlockingBlockingForwardingForwardingLearningLearning1 1）端口端口enabledenabled2 2）端口端口disableddisabled3 3）端口被选为根端口或指定端口）端口被选为根端口或指定端口4 4）端口被选为备用端口（阻塞）端口被选为备用
25、端口（阻塞）5 5）Forward DelayForward Delay延时延时（4 4）（4 4）（5 5）（4 4）（5 5）（3 3）Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential MAC地址信息的生存期l拓扑结构改变会使站点在生成树中的相对位置发生移动，那么网桥原来学习到的MAC地址信息就可能变得不正确，所以学习的MAC地址信息也要有生存期，如果该时间内没有证明地址的正确，则抛弃这条地址信息。l在生成树协议中有两个生存期：拓扑稳定的时候用较长的生存期。拓扑改变的时候用较短的生存期。l网络拓扑发生改变的时候 ，并 不是所有的网桥
26、都 能够发现这一变化， 所以需要把拓扑改变的信息通知到整个网络。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 站点的相对位置发生变化LAN ALAN ALAN BLAN BLAN CLAN CLAN ELAN ELAN DLAN DROOTROOTB1B1B2B2B3B3B4B4Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 5 53 34 44 41 15 52 2拓扑改变消息的传播拓扑改变通知消息拓扑改变通知消息拓扑改变应答消息拓扑改变应答消息拓扑改变消息拓扑改变消息R
27、OOTROOTPage HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 第第1 1章章 STPSTP的产生原因的产生原因第第2 2章章 STPSTP的基本原理的基本原理第第第第3 3 3 3章章章章 RSTPRSTPRSTPRSTP的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 生成树协议的不足l端口从阻塞状态进入转发状态必须经历两倍的Forward Delay时间，所以网络拓扑结构改变之后需要至少两倍的Forward Delay时间，才能恢复连
28、通性。l如果网络中的拓朴结构变化频繁，网络会频繁的失去连通性，这样用户就会无法忍受。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 快速生成树协议l快速生成树协议是从生成树协议发展而来，实现的基本思想一致；l快速生成树具备生成树的所有功能；l快速生成树改进目的就是当网络拓扑结构发生变化时，尽可能快的恢复网络的连通性。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential STP与RSTP端口的比较STP端口类型端口类型RSTP端口类型端口类型Designated PortDesign
29、ated PortRoot PortRoot PortDisabled PortDisabled PortAlternate PortBackup PortPage HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential STP与RSTP状态机的比较STP端口状态端口状态RSTP端口状态端口状态DisabledDiscardingBlockingDiscardingListeningDiscardingLearningLearningForwardingForwardingPage HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI
30、 Confidential 快速生成树的改进一l在新拓扑结构中的根端口可以立刻进入转发状态，如果旧的根端口已经进入阻塞状态，而且新根端口连接的对端交换机的指定端口处于Forwarding状态。LAN ALAN ATO ROOTTO ROOTLAN ALAN ALAN ALAN ALAN ALAN AF FF F指定端口指定端口指定端口指定端口根端口根端口阻塞端口阻塞端口F FLAN ALAN ALAN ALAN AF FF F指定端口指定端口指定端口指定端口根端口根端口阻塞端口阻塞端口F FTO ROOTTO ROOTPage HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAW
31、EI Confidential 2 21 13 34 4快速生成树的改进二l指定端口可以通过与相连的网桥进行一次握手，快速进入转发状态。LAN BLAN BLAN ALAN AF F指定端口指定端口根端口根端口握手请求握手请求握手响应握手响应Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential F F注意！l两点注意:握手必须在点对点链路的条件下进行一次握手之后，响应握手的网桥的非边缘指定端口将变为blocking状态，则需要继续向自己的邻接网桥发起握手LAN ALAN ALAN BLAN BLAN CLAN CLAN ALAN AF F指
32、定端口指定端口指定端口指定端口指定端口指定端口F F非点到点链路非点到点链路握手的扩散握手的扩散Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 快速生成树的改进三l网络边缘的端口，即直接与终端相连，而不是和其他网桥相连的端口可以直接进入转发状态，不需要任何延时。LAN BLAN BLAN CLAN CLAN ALAN A根端口根端口边缘端口边缘端口LAN DLAN DF FTO ROOT阻塞端口阻塞端口Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 快速生成树的性能l第一种改
33、进的效果：发现拓扑改变到恢复连通性的时间可达数毫秒，并且无需传递配置消息。l第二种改进的效果：网络连通性可以在交换两个配置消息的时间内恢复，即握手的延时；最坏的情况下，握手从网络的一边开始，扩散到网络的另一边缘的网桥，网络连通性才能恢复。比如当网络直径为7的时候，要经过6次握手。l第三种改进的效果：边缘端口的状态变化不影响网络连通性，也不会造成回路，所以进入转发状态无需延时。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 生成树和快速生成树有何区别l协议版本不同；l端口状态转换方式不同；l配置消息报文格式不同；l拓扑改变消息的传播方式
34、不同； 注意：快速生成树也是在整个交换网络应用单生成树实例，不能解决由于网络规模增大带来的性能降低问题。建议网络直径最好不要超过7。Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 问题l生成树协议解决了交换网络面临的什么问题？l生成树协议是如何工作的？lRSTP相对STP做了那些改进？lRSTP和STP有什么共同的问题需要解决？Page HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.HUAWEI Confidential 总结l生成树协议解决了交换网络面临的网络风暴的问题lRSTP再STP的基础上，加快了端口状态的迁移，提高了生成树的性能lRSTP和STP维护的都是单生成树实例，它们如果与VLAN一起运行的话，会出现一些问题Page 谢谢
