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华为认证学习笔记:生成树

以太网交换网络中为了进行链路备份,提高网络可靠性,通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路,引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象,从而导致用户通信质量较差,甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题,提出了生成树协议STP。

本章重点:了解生成树的作用和基本原理

本章难点: 生成树的整个选举过程

1.STP概述

当接入一台新设备,网络的冗余增强了,但是又带来了新的问题,就是出现了二层环路

二层环路带来了诸多问题,可以说当一个公司的二层发生了环路,很快的时间企业网络将会瘫痪,因此生成树出现了,用于破环,同时生成树能够动态响应网络拓扑变化调整阻塞接口。

STP是一个用于局域网中消除环路的协议。运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路,并对某些接口进行阻塞以消除环路。

STP在网络中运行后会持续监控网络的状态,当网络出现拓扑变更时,STP能够感知并且进行自动响应,从而使得网络状态适应新的拓扑结构,保证网络可靠性。

2.STP基本概念及原理

桥ID

IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级(Bridge Priority)与桥MAC地址构成。

每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。BID桥优先级占据高16bit,其余的低48bit是桥MAC地址。在STP网络中,BID最小的设备会被选举为根桥。

根桥

根桥是一个STP交换网络中的“树根”。STP开始工作后,会在交换网络中选举一个根桥,根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”,是STP计算得出的无环拓扑的“树根”。

在STP网络中,桥ID最小的设备会被选举为根桥。在BID的比较过程中,首先比较桥优先级,优先级的值越小,则越优先,拥有最小优先级值的交换机会成为根桥;如果优先级相等,那么再比较MAC地址,拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。

COST

每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值,接口的Cost主要用于计算根路径开销,也就是到达根的开销。接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关,还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。接口带宽越大,则Cost值越小。

RPC

在STP的拓扑计算过程中,一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”,也即RPC。一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。

Port ID

运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口,接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。接口ID由两部分构成的,高4 bit是接口优先级,低12 bit是接口编号。激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级,在华为交换机上,该值为128。用户可以根据实际需要,通过命令修改该优先级。

BPDU

BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。STP交换机之间会交互BPDU报文,这些BPDU报文携带着一些重要信息,正是基于这些信息,STP才能够顺利工作。

BPDU分为两种类型:

配置BPDU(Configuration BPDU)

TCN BPDU(Topology Change Notification BPDU)

3.STP的选举过程(计算过程)

此图RP为根端口,DP为指定端口,AP为阻塞端口

1、在交换网络中选举一个根桥

STP在交换网络中开始工作后,每个交换机都会向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。我们可以修改优先级的方式来控制网络中的根桥,我把SW1的优先级改成0,所以在这个网络里,SW1是根桥

2、在每台非根桥上选举一个根端口

    每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个接口。

非根桥交换机上有且只会有一个根接口。当非根桥交换机有多个接口接入网络中时,根接口是其收到最优配置BPDU的接口。

    选举规则

比较PC根路径开销

当RPC根路径开销相同时,比较BPDU发送端的桥ID

当BPDU发送端的桥ID相同时,比较发生者的端口ID

3、在每条链路上选举一个指定端口

根接口选举出来后,非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算,然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较,一般情况下,根桥的所有接口都是指定接口

选举规则

比较PC根路径开销

当RPC根路径开销相同时,比较BPDU发送端的桥ID

当BPDU发送端的桥ID相同时,比较发生者的端口ID

4、非指定接口被阻塞

    一台交换机上,既不是根接口,又不是指定接口的接口被称为非指定接口。

STP操作的最后一步是阻塞网络中的非指定接口。这一步完成后,网络中的二层环路就此消除。

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