现代交换技术 STP初始化与收敛

1、STP初始化与收敛 要保证企业的网络中的关键应用可持续性，就需要对交换网络进行冗余设计，然而这将产生广播风暴、“网络环路”等问题，严重时，将导致整个网络瘫痪？于是，STP生成树解决办法出现了     生成树初始化与收敛    STP建立一个根节点，称为根网桥，并构建了一种拓扑，在这种拓扑中，网络中每一个节点都只有一条路径可以到达，最终生成的树起源于根节点，不属于最短路径树的一部分冗余链路会被阻塞，因为这样的路径被阻塞了，所以实现一个无环路的拓扑是有可能的。在阻塞链路上收到数据帧将会被丢弃。    STP需

2、要网络设备互相交换消息来检测桥接环路，交换机发送的用于构建无环路拓扑的消息称为网桥协议数据单元。阻塞端口会不断收到BPDU，以保证当活动路径或设备发生故障的时候，仍然可以计算出一棵新的生成树。BPDU将提供足够的信息，所有交换机利用此信息可以完成以下的工作：   选择一台单独的交换机作为生成树的根。   计算它自身到根交换机的最短路径。   对于每一个LAN网段，指定一台交换机作为最接近的交换机，称它为指定交换机，指定交换机处理所有从LAN到根交换机的通信。   每个非根交换

3、机选择自身的一个端口作为根端口，它是到根交换机路径最短的接口。   在每个网段上选择属于生成树一部分的端口作为指定端口，非指定端口将被阻塞掉。    STP四步初始化原则    STP在建立无环路逻辑拓扑时候，STP必须遵守“STP 四步初始化原则”，即：    第1步：最低的根BID。    第2步：最低的路径开销到根桥。    第3步：最低的发送方BID。    第4步：更低的端口I

4、D。    当一台网桥设备加电起动时，按照（Hello Time）时间间隔为2秒频率向所有端口发送BPDU，网桥通过以上4个步骤来确定每个端口得到最优先的BPDU。如果自己最优先，则发送给对方，否则停止发送，接受对方的BPDU。如果在20秒时间未能收到对方发来的优先级高的BPDU的话，则又开始重新发送BPDU来确认最优的BPDU。 2生成树收敛的3个步骤    当交换机（网桥）全部加电时，所有的网桥全部向连接端口发送BPDU信息，然后立即进入STP无环路逻辑拓扑计算。生成树从拓扑初始化到收敛成一个无环路的拓扑结构，可以分成3

5、个步骤。    第1步：选择根桥（Root Bridge），唯一的根桥被选举。    第2步：选择根端口（Root Ports），其他的网桥计算一系列的根端口。    第3步：选择指定端口（Designated ports），用于网段连接。    1）步骤1：选择根桥    如图8-8所示，网桥启动时SW-1、SW-2和SW-3 3台交换机全部发送BPDU声明自己是网桥，网桥的优先级均为32768，此时开始比较MAC值。SW-2收到SW-3来的B

6、ID 32768.33-33-33-33-33-33，比自己的BID 32768.22-22-22-22-22-22高，认为自己是根桥，但同时也收到SW-1的BPDU的BID值为BID 32768.11-11-11-11-11-11比自己低，所以会认为SW-1为根桥，SW-3也经过同样的比较，认为SW-1为根桥。图8-9显示了根桥计算对比后的结果。  根桥选举   根桥选举结果    SW-2 BPDU Payload的Root BID值变化如下，Root BID从SW-1学来，写入到端口1/1上，Sender B

7、ID 为自己的桥BID（注意：Sender BID =Bridge ID）。表8-4为SW-2选择前与选择后的比较。    表8-4 SW-2如何选择根桥BID项原值（启动时）选择根桥后Root BIDBID32768.22-22-22-22-22-22BID 32768.11-11-11-11-11-11Sender BIDBID32768.22-22-22-22-22-22BID 32768.22-22-22-22-22-22     2）步骤2：选择根端口    选择根桥完毕之后，非根桥交

8、换机必须选择一个根端口，以便确定通信路径。一台网桥的根端口是离根桥最近的端口，这个“最近原则”是比较端口到根桥的最少路径开销，以太网的端口开销值参见前面的表8-1中的内容。图8-10显示了根端口的选举过程。    如图8-10所示，根端口的所有端口的Path Cost值全部为0，SW-2 和SW-3 为非根桥，它们必须选择一个根端口，SW-2 收到从根桥来的Cost值为0，加上本身自己的Cost值为19，获得1/1端口的Cost为19，而SW-2的1/2端口从SW-3收到的Cost的值为19，加上自己本身的Cost值19，总共为38，所以SW的1/1口为根端口。同

9、理，SW-3的1/1端口为根端口。根端口的选举过程        3）步骤3：选择一个指定端口    每一个以太网网段连接的端口必须有一个指定端口，每个以太网网段中的端口比较根桥路径开销（Root Path Cost），最低值得为指定端口。    下面将说明一种特殊情况。在图8-11展示的网络环境中分为：网段1、网段2和网段3。  指定端口的选择过程    SW-1的端口的根桥路径开销均为0，所有这两个段的指定端口为

10、SW-1的1/1和1/2；但是网段3中SW-2和SW-3之间相连的端口的根路径开销均为38，这是必须按照“STP 四步初始化原则”进行比较，最后根据BID的值来决定谁是指定端口。    网段3的SW-2和SW-3之间选择指定端口比较过程如表8-5所示。  SW-2和SW-3之间选择指定端口比较步    骤执 行 内 容SW-2SW-3结    果1最低的根BID32768.11-11-11-11-11-1132768.11-11-11-11-11-11相等，转下一步2最低的根路径开销3

11、838相等，转下一步3最低的发送方BID32768.22-22-22-22-22-2232768.33-33-33-33-33-33SW-2的BID值低，所以SW-2的1/2为指定端口4最低的端口ID-     3生成树端口状态     在启用Spanning-Tree的交换机，从“推举了根桥指定端口非指定端口来建立一棵无环路树根端口指定端口转发BPDU配置消息”这个过程结束，而非指定端口阻断网络流量。STP关闭端口到转发流量有5个过程，如下表8-6所示。交换机端口状态状    态功能

12、与数据帧接收情况转发（Forwarding）发送/接收用户数据；接受从其他接口转发来的数据帧；学习地址（BID的地址）；不接受BPDU配置信息学习（Learning）丢弃从端口收到的数据帧；丢弃从其他接口转发来的数据帧；学习地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息监听（Listening）丢弃从端口收到的数据帧；丢弃从其他接口转发来的数据帧；不学习地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息阻断（Blocking）丢弃从端口收到的数据帧；丢弃从其他接口转发来的数据帧；不学习地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息。关闭（Disable）管理性关闭或线路中断；丢弃从其他接口转发来的数据帧；丢弃

13、BPDU转发数据帧；不学习地址（BID的地址）；不接受BPDU配置信息     在完全利用思科设备组成的交换网络中，可以存在7种端口状态（Cisco私有的PortFast和UplinkFast）。图8-12展示了各个端口状态迁移的过程。STP运算中端口的状态迁移图    端口状态迁移情况比较复杂。假设一个端口从Disable状态或新接入到网络中来，这时Disable状态转到Blocking状态，Blocking状态可以接受BPDU数据，在20秒的信息老化时间后，端口进入Listening。再经过15秒的BPDU数据比较，如果

14、该端口接收到的BPDU数据为最优先的，则进入Learning状态。这时如果收到的BPDU数据还是没有比自己更优先的，则再等15秒的转发延迟，端口进行转发状态，整个过程需要50秒左右。    在上述的各个阶段中，如果端口收到比自己更优先的BPDU配置信息，则直接转入到Blocking状态。在实际应用中，将一台电脑插入到启动了STP功能的交换机上，交换上的端口指示灯为桔黄色，需要等到20+15+15=50秒，灯才转为正常，指示灯为绿色。这也是为什么将客户端接入交换机后，不能马上通信的真正原因。 4生成树计时器    前面我们已经

15、提到某些状态到另一种状态情况，这需要花费时间来判断最优的BPDU配置信息，STP定义了三中STP定时器，如表8-7所示。    表8-7 生成树三个计时器属性定 时 器功 能 描 述默 认 值Hello Time根桥发送BPDU配置信息的时间间隔2秒Foreword Delay监听和学习状态的转发延时15秒Max AgeBPDU配置信息在端口中存储的时限20秒    Hello Time是根桥发送BPDU更新的时间间隔，默认为2秒；Forward Delay（转发延迟）是网桥在监听和学习状态时发

16、生的，默认为15秒（监听到学习为15秒，学习到转发也是15秒）；Max Age网桥存储BPDU的时间，时间为20秒，每2秒通过Hello Time来更新，一旦经过20秒时没有接收到Hello Time来的更新BPDU，网桥端口状态就要发生变化。 5拓扑变化后的收敛    当非根桥检测到拓扑改变时，产生TCN BPDU给上一级网桥，上级网桥收到拓扑改变（TC），回复拓扑改变确认（TCA），继续向上传播TCN BPDU，一直传播到根桥，告诉根桥拓扑已经改变，根桥收到后，根桥传播到新的配置BPDU到整个网络，缩短其他根桥的MAC地址老换时间从300秒（300秒为交换机默认的MAC老化时间）到指定的转发延迟时间30秒。    TCN BPDU在以下3种情况发送：   当端口转入转发状态而且网桥至少有一个指定端口。   当一个端口从转发或学习状态到阻断状态时候。   当指定端口收到TCN BPDU转发给根桥时。&