华为交换机：STP的详解和试验

前言

为了解决网络冗余链路所产生的问题,IEEE定义了802.1D协议,即生成树协议STP,利用生成树协议可以避免帧在环路中的增生和无限循环,生成树的主要思想是,当两个交换机之间存在多条链路时,通过一定的算法只激活其中最主要的一条链路,而将其他冗余链路阻塞掉变为备用链路,当主链路出现问题时,生成树协议将自动启用备用链路,整个过程不需要认为干预.

STP协议中定义了,根桥(RootBridge),根端口(Root Port),指定端口(Designated Port),路径开销(Path Cost)等概念,目的在于通过构建一棵自然树的方法阻塞冗余链路,同时实现链路备份和链路最优化.

STP协议的通信,是通过桥协议数据单元(BPDU)进行通信的,它是运行STP的交换机之间交流消息帧,所有的支持STP协议的交换机都能接收并处理BPDU报文.

STP工作过程

选举根桥->选举根端口->选举指定端口->STP阻塞非根

• 1.选举根桥:交换机假定自己是根,然后发送BPDU报文给其他交换机,最终选出ID号最小的交换机作为根桥.
• 2.选举根端口:每台非根交换机都会选举出一个根端口,并且仅有一个根端口,并按照优先级选择一个根端口.
• 3.选举指定端口:选择一条网桥到根桥的路径成本最小的路径,或者发送方的网桥ID最大的作为指定端口.
• 4.选择阻塞端口:至此,就会根据STP算法,从多个链路中选择性的阻塞掉一些端口的数据通信.

STP端口状态:

1.阻塞(Blocking):端口只接受BPDU,不能接收或发送数据,也不能把学习到的MAC地址天机到MAC地址表中.
2.转发(Forwarding):端口能够接收并转发数据,也能够学习MAC地址,并添加到MAC地址表中.
3.侦听(Listening):该状态是从阻塞到转发状态过程中的临时状态,该状态只能发送和接受BPDU数据.
4.学习(Learning):该状态是从阻塞到转发状态过程中的临时状态,该状态不能够发送或接收数据.
5.关闭(Disable):该状态端口只提供网络管理服务,不能接受发送任何数据,也就是停止服务的状态.

指定端口 Designated Port
根端口 Root Port
预备端口 Alternate Port

RSTP快速生成树

TP协议虽然解决了链路闭合引起的死循环问题,但是在端口从阻塞状态到转发状态间经过了一个只学习MAC地址但不参与转发的过程,产生了转发延时(默认15秒),从而使得生成树的收敛过程需要较长的时间,一般是转发延时的两倍.

为了解决STP收敛时间过长的缺点,IEEE又推出了802.1w标准,定义了RSTP(快速生成树)协议.RSTP协议在网络配置参数发生变化时,能够显著的减少网络的收敛时间,由于RSTP是从STP发展而来的,其与STP协议保持高度的兼容性,RSTP协议规定,在某些情况下,处于阻塞状态的端口不必经历阻塞->侦听->学习->转发这一个过程,就可以直接进入转发状态.

RSTP协议只有以下三种:
1.丢弃(Discarding):RSTP将STP中的阻塞,禁用,和侦听统称为丢弃模式.
2.学习(Learning):拓扑有所变动情况下,端口处于学习状态并学习MAC地址,将其添加到MAC地址表.
3.转发(Forwarding):在网络拓扑稳定后,端口处于转发状态,并开始转发数据包.

以上就是生成树协议的常用内容,对比后会发现,RSTP的收敛时间明显低于STP,解决了数据同步过慢的问题所在.

生成树的配置

在华为设备中STP默认是开启的，如下拓扑当设备启动之后，就已经开始选举根桥了。三台设备仅改了名字，其他什么都没有配置。我们来查看一下哪个是根桥。

判断根桥

首先我们需要判断当前的根桥是哪一个设备,我们分别在四台交换机上执行.
我们分别在3台交换机上执行display stp命令或者执行display stp brief,来查询默认那一台是根桥设备

SW1

<sw1>dis stp
-------[CIST Global Info][Mode MSTP]-------
CIST Bridge         :32768.4c1f-cc84-251c        // 本机优先级
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20   // 数据包发送时间
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :32768.4c1f-cc07-29f3 / 20000      // 根桥MAC地址
CIST RegRoot/IRPC   :32768.4c1f-cc84-251c / 0		// 备份根桥MAC地址
CIST RootPortId     :128.1     //根端口ID
...

<sw1>dis stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        ROOT  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
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知识点：

• 优先级(CIST Bridge)的组成：默认是32768.+本地MAC，根桥的优先级默认为32768，,MAC地址由交换机的VLAN1接口的MAC地址决定，优先级越小的交换机越有可能被选为根桥
• 根端口ID(CIST RootPortId)的组成：默认128.+端口号的总和

判断技巧：根据上面的注释，以及知识点第一条，我们可以发现一个规律，本地优先级CIST Bridge 中MAC部分如果和CIST Root/ERPC，即根桥MAC地址相同，则就是根桥。显然SW1不是根桥。

SW2
根据上面的知识点，发现SW2就是根桥

<sw2>dis stp
-------[CIST Global Info][Mode MSTP]-------
CIST Bridge         :32768.4c1f-cc07-29f3
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :32768.4c1f-cc07-29f3 / 0
CIST RegRoot/IRPC   :32768.4c1f-cc07-29f3 / 0
CIST RootPortId     :0.0


<sw2>dis stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE

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SW3

[sw3]dis stp
-------[CIST Global Info][Mode MSTP]-------
CIST Bridge         :32768.4c1f-ccea-78bd
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :32768.4c1f-cc07-29f3 / 20000
CIST RegRoot/IRPC   :32768.4c1f-ccea-78bd / 0
CIST RootPortId     :128.2


<sw3>dis stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        ALTE  DISCARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE

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判断根桥总结

指定根桥

我们在设计这个拓扑时，想让SW1作为根桥，此时可在三层交换机上,直接通过以下命令,更换根桥设备.

方法1：指定根桥

[sw1]stp root ?
  primary    Primary root switch    //根桥
  secondary  Secondary root switch   //备份根桥，本次试验不涉及备份根桥
[sw1]stp root primary 

[sw1]dis stp
-------[CIST Global Info][Mode MSTP]-------
CIST Bridge         :0    .4c1f-cc84-251c
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :0    .4c1f-cc84-251c / 0
CIST RegRoot/IRPC   :0    .4c1f-cc84-251c / 0
CIST RootPortId     :0.0
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方法2：更改优先级

[sw1]stp priority ?
  INTEGER<0-61440>  Bridge priority, in steps of 4096
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注意：必须是4096的倍数

配置边缘端口

对于运行生成树协议的二层网络,与终端相连的端口不用参与生成树计算,这些端口参与计算会影响网络拓扑的收敛速度,而且这些端口的状态改变也可能会引起网络震荡,导致用户流最中断.此时,可以通过执行命令stp edged-port enable将当前端口配置成边缘端口,该端口便不再参与生成树计算,从而帮助加快网络拓扑的收敛时间以及加强网络的稳定性.

需要注意:当前端口配置成边缘端口后,如果收到BPDU报文,那么交换设备会自动将边缘端口设置为非边缘端口,并重新进行生成树计算,接下来将通过一个实验来演示边缘端口的配置,其配置拓扑图如下所示:

给指定端口配置

这里我们指定配置两台交换机的边缘端口,将Ge0/0/2配置为边缘端口.

#----在LSW1上操作-------------------------
<Huawei> system-view
[LSW1] stp mode rstp                                   // 设置成快速生成树
[LSW1] interface GigabitEthernet 0/0/2                 // 选择要配置的接口
[LSW1-GigabitEthernet0/0/2] stp edged-port enable      // 配置成边缘接口

#----在LSW2上操作-------------------------
<Huawei> system-view
[LSW2] stp mode rstp                                   // 设置成快速生成树
[LSW2] interface GigabitEthernet 0/0/2                 // 选择要配置的接口
[LSW2-GigabitEthernet0/0/2] stp edged-port enable      // 配置成边缘接口

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给全局端口配置

也可以给将边缘端口配置为全局模式,以下案例将配置全局端口.
其实就是指定把参与stp的端口配置成非边缘端口

[LSW1] stp mode rstp                  // 配置成快速生成树
[LSW1] stp edged-port default         // 配置边缘端口为全局模式

[LSW1] interface GigabitEthernet 0/0/1              // 选择接口
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1] stp edged-port disable  // 配置为非边缘端口

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