STP协议与生成树设计优化.docx

STP 协议与生成树设计优化王震宇 ,马晓军 ,蒋烈辉(信息工程大学 信息工程学院 ,河南 郑州 450002)摘要 :生成树协议是交换或桥接网络中管理冗余链路和负载均衡的一个关键协议 ,对交换网络的性能有重大影响 。本文详细分析了生成树协议的工作原理 ,并阐述了生成树设计与优化的 方法 。关键词 :生成树 ;生成树协议 ;冗余链路 ;健壮性中图分类号 : TP393文献标识码 :A文章编号 :1671 - 0673 (2003) 01 - 0066 - 03Spanning Tree Protocol to Design and Optimize Spanning TreeWANG Zhen2yu ,MA Xiao2J un ,J IANG Lie2hui( Institute of Information Engineering , Information Engineering University , Zhengzhou 450002 ,China)Abstract :Spanning tree protocol plays a key role in switched networks. It effectively manages redundant links and load balancing , and has more influence on network performance . In this paper , the basic prin2 ciple of STP and the methods to design and optimize the spanning tree are presented.Key words :spanning tree ; spanning tree protocol ;redundant link ;robustness桥接设备的任一个端口都被设置成阻塞 (Blocking)或转发 ( Forwarding) 两种状态之一 。处于转发状态 的端口被认为是在当前的生成树中 , 可收发数据 帧 。处于阻塞状态的端口则不在生成树中 ,不能转 发所接收的数据帧 ,但可收发配置网桥协议数据单元 ( CBPDUs) 。1概述生成树协议 ( Spanning Tree Protocol , STP 协议)是交换网络中解决冗余链路 、桥接回路和负载均衡 等问 题 的 关 键 协 议 。交 换 机 和 网 桥 一 般 都 支 持STP 协议 。STP 协议可按默认方式自动运行 ,但默认方式下的生成树通常有诸多隐患和问题 。比如 某交换网络的大部分流量集中在某两个网段之间 , 而该两个网段间存在两条冗余链路 ,一条带宽大且 跳数小 ,而另一条带宽小跳数却更大 。如果生成树 设计得不当 ,正常情况下它们间的流量流经带宽小 跳数大的路径 ,而不是带宽大跳数小的路径 。显然 在这种情况下 ,交换网络的性能是很差的 。要想提 高交换网络的性能和健壮性 ,精心设计生成树的拓 扑 、人工控制和调整生成树及其行为是非常重要的 。STP 协议通过将部分桥接端口设置为阻塞状态 ,保证任两局域网段间只有一条活跃路径 ,从而 能有效避免桥接回路等问题 。在 STP 协议作用下 ,2STP 协议工作原理STP 协议使用了两种报文 : CBPDU 和拓扑改变通告网桥协议数据单元 ( TCN BPDUs) 。CBPDU 负 责通告全局 STP 参数 , TCN BPDU 用于通告网络拓扑的变化 。STP 协议的工作可分为“生成树初始化”和“生 成树对网络拓扑变化的响应”两个过程 。本文通过 图 1 所示的交换网络环境来说明 STP 协议的工作 过程 ,粗线代表 100M 快速以太网链路 , 相应的路径成本为 10 ;细线代表 10M 以太网链路 ,相应的路 径成本为 100 。各网桥的优先级相等 , 网桥 B1 的收稿日期 :2002 - 09 - 07作者简介 :王震宇 (1969 - ) ,男 ,浙江金华人 ,信息工程大学讲师 ,硕士 ,主要研究方向为计算机网络与安全 、嵌入式系统 。67第 1 期王震宇等 : STP 协议与生成树设计优化ID 最小 。若出了故 障 ,B4 的 E1 再 不 能 收 到 从 根 网 桥 来 的CBPDU ,而 E0 可以 。B4 改 E1 为 E0 作根端口 。B3的 E1 也再不能接收从 (B4 , E0) 来的 CBPDU ,Max2Age 超时后 ,其认为指定网桥已经出现故障 。由于 再没有其它的网桥向这个网段发送 CBPDU , B3 将调整自己成为与 E1 接口相连的局域网段的指定网 桥 。因此 B3 的 E1 端口要从阻塞状态变为转发状 态 。图 2 给出了 (B5 , E1) 端口出故障后再次收敛 的生成树 。图 1 正常情况下的生成树2 . 1生成树初始化过程生成树初始化过程如下 :选举根网桥 ( Root Bridge)根网桥的所有端口置为转发状态 。拥有最低优先级的网桥将成为根网桥 。如果出现优先级相等的情况 ,拥有最小标 识的网桥将成为根网桥 。选举过程开始时 ,所有网 桥都声明自己是根 。如果一个网桥侦听到一个更 好的候选者 ,它停止公布自己是根 ,并开始转发由 更佳候 选 者 发 送 的 CBPDU 。在 转 发 该 CBPDU 之 前 ,此网桥将代价增加一个值 。此值根据接收到更 佳候选者 CBPDU 的端口的代价值而定 。图 2 故障后再次收敛的生成树2 . 3端口的状态端口要从阻塞状态转为转发状态 ,得经过两个 中间状态 :确定根端口 ( Root Port)对每个非根网桥 ,侦听状态 (Listening)既不发送接收数据 ,也选择一个自身与根网桥之间管理代价最小的端口作为此网桥的根端口 。所有根端口置为转发状态 。 (B2 , E0) 、(B3 , E0) 、(B4 , E1) 、(B5 , E0) 4 个端口成 为各自网桥的根端口 。不进 行 帧 地 址 学 习 , 但 仍 能 接 收 和 发 送 CBPDU 。Forward Delay 超时后进入学习状态 。学习状态 (Learning)接收数据 , 进行帧地址学习 , 但 不 发 送 数 据 。接 收 和 发 送 CBPDU 。For2ward Delay 超时后才进入转发状态 。2 . 4 地址表项的更新一个端口从阻塞状态到侦听状态后 ,马上要启 用一个短的定时器来清空地址表项 ,并从该网桥的 根端口发送 TCN BPDU 。TCN BPDU 起到了加快桥 接地址表更新的作用 。根网桥接收到 TCN BPDU后 ,会 发 送 一 个 确 认 信 息 。确 认 信 息 是 通 过 在 CBPDU 中设置一个拓扑改变标记来表示的 。网桥 接收到确认消息后将桥接地址表的老化时间从默 认的 300 秒降低到 Forward Delay 定时器设定的值 。确定指定端口 (Designated Port)多个网桥连接到同一网段时 ,代价最小的网桥被称为指定网桥 。取指定网桥在此网段上的一个端口作为指定 端口 。所 有 指 定 端 口 置 为 转 发 状 态 。 ( B2 , E1 ) 、(B4 , E0) 、(B5 , E1) 分别是相应网段的指定端口 。其余端口为阻塞状态 至此 ,如图 1 所示的 一棵生成树已建立 。除 (B3 , E1) 处于阻塞状态以 外 ,其余端口均处于转发状态 。2 . 2 生成树对网络拓扑变化的响应过程若网桥在 MaxAge 时间内没有从任何端口接 收到 CBPDU ,该网桥以声明自己为根网桥来响应 。此过程与“生成树初始化过程”一致 。图 1 中的根网桥若出现故障 ,其余网桥的 MaxAge 将大约在同 一时刻过期 。每个网桥都将声称自己是根 ,重新产 生新的生成树 。若网桥的根端口接收不到 CBPDU , 但却可 从其它端口接收到 CBPDU 。图 1 中 (B5 , E1) 端口3生成树设计与优化STP 协议按默认方式工作 ,其对应的生成树是动态变化的 ,不能有效控制 ,所以生成树最好是自 行设计和优化 。3 . 1生成树设计与优化的主要措施68信 息 工 程 大 学 学 报2003 年根网桥应当尽可能位于网络的中心 。在分层网络设计中 ,根网桥通常放置在分布层 。通过人 工管理网桥优先级可保证指定的网桥在选举中获 胜 。为了防止主根网桥失败 ,除了按预先确定的方 式设置好根网桥外 ,还应设置一台备用根网桥 。通过调整交换机的端口成本 、端口 ID 、网络 直径等参数调整定制生成树和其收敛方式 。利用冗余链路的快速收敛技术 ( 快速端口 PortFast 、快速上行链路 UplinkFast 和快速主干 Back2 boneFast 等) 减少对生成树的影响 。3 . 2 路径成本的计算要正确设计生成树 ,预先得清楚所使用的交换 机关于路径成本的计算是使用线性值还是非线性 值 。路径成本 ( Path Cost ) 反映链路的好坏 。最初 在 IEEE802 . 1D 中将路径成本定义为用链路的带宽(单位 Mb/ s) 去除 1000Mb/ s 。然而如今的网络如千 兆以太网和 OC248 ATM 等的带宽一般都大于或接 近于 1000Mb/ s 。IEEE 改用一个非线性的指标作为 其度量 。表 1 给出 STP 路径成本的典型值 。网络直径是指从根网桥开始向外所包含的交换机数 (包括根网桥) 。网络直径值准确反映实际物理 网络的大小 ,能有效减小 STP 对拓扑变化响应的收 敛时间 。网络直径改变时 ,根网桥将重新计算 3 个 定时器的值 ,并通过 CBPDU 传播给其它交换机 。3 . 4 生成树协议的类型多厂商设备混合的交换网络中还应注意生成 树协议类型匹配问题 。STP 最初是为桥接网络环 境设计的 ,只支持单一的 LAN ( 或 VLAN) 。为了能 支持交换网络 , STP 继而能支持多个 VLAN 。目前有 3 种 类 型 STP : 通 用 生 成 树 ( Common Spanning Tree , CST) 、每 VLAN 生 成 树 ( Per2VLAN Spanning Tree ,PVST) 和 每 VLAN 生 成 树 增 强 型 ( Per2VLAN Spanning Tree Plus , PVST + ) 。CST 在 IEEE802 . 1Q 中定义 , 所有 VLAN 共 用 一 个 生 成 树 , 所 有 BPDU均在 VLAN1 ( 管理 VLAN) 上传送 。后两者为 Cisco 公司私 有 的 STP 协 议 。PVST 允 许 每 一 个 单 独 的 VLAN 有自己的生成树 。PVST 不能与 CST 互操作 。 PVST + 能分别与 CST 和 PVST 互操作 。表 1STP 路径成本4结束语链路带宽线性值非线性值10Mb/ s100100正确配置 STP 协议 ,对于交换网络的健壮性和性能是非常重要的 。只有深刻理解 STP 协议的工 作原理 ,方能设计出优良的生成树 ,有效地提高交换网络的性能 ,使交换网络具有快速故障恢复能力 和稳固的健壮性 。100Mb/ s155Mb/ s1 Gb/ s106119144 10 Gb/ s 0 2 3 . 3定时器值的调整HelloTime 、MaxAge 和 Forward Delay 这 3 个定时 器对生成树的收敛过程有重要影响 。通常不直接 修改各定时器的默认值 ,而是仅在根网桥上配置网 络直径 (Network Diameter) 的大小 。STP 定时器的默 认值是基于网络的大小和 HelloTime 的长短进行推算的 。IEEE802 . 1D 标准规定 HelloTime 、MaxAge 和Forward Delay 的默认值分别为 2 秒 、20 秒和 15 秒