December 19th, 2013

问题

为了提高网络的可用性,需要进行冗余和备份。但是冗余路径会产生环路

环路会导致以下问题

  • 广播风暴:由于交换机会对广播、多播、和未知目标MAC的单播包进行泛洪,在存在环路的情况下,很短的时间内就会产生风暴

  • 多帧拷贝MAC地址表不稳定:当交换机刚刚启动时,MAC地址表是空的,所以,所有的单播帧都会进行泛洪操作。但是如果存在环路的话,交换机在特定情况下,会从不同的接口收到相同的MAC地址,这样的话,MAC地址表将不稳定

STP(spanning tree protocal,IEEE802.1D)就是通过软件防止环路的产生,通过逻辑的禁用接口,使得环路在逻辑上不存在;当线路出现故障时,将禁用的接口启用,使得网络能够发挥物理冗余路径带来的高可用性

STP协议的工作原理

STP协议的原则如下:

  1. 每个广播域中只有一个根网桥,根网桥的接口都是指定接口
  2. 每一个非根网桥上都有一个根接口,根接口就是到达根网桥最近(带宽最高,开销最小)的接口
  3. 每个网段中只有一个指定接口(发送方的桥ID较小的,或者端口优先级较小,或者端口ID较小的)
  4. 非指定接口不使用

假如上图的Switch X是根网桥,那么它的两个接口都是指定接口;Switch Y是非根网桥,由于100BASE的带宽更高,所以Switch Y上面的接口是根接口;上下两个segement中,s1和s2都已经有指定接口了,所以Switch Y下面的接口既不是根接口,也不是指定接口,那么将其阻断。

上述的过程是交换机通过STP协议和交换BPDU(Bridge Protocol Data Unit)桥接协议数据单元,自动协商得到的。BPDU每2秒钟发送一次。

BPDU的数据结构

Root ID(8Bytes):根网桥ID,每个交换机通过桥ID进行标识,桥ID由桥优先级+MAC地址组成(64个字节)。桥优先级的默认值为32768,最大值为65535。桥ID最小的为根网桥

Cost of path(4Bytes):接口的Cost值,端口速率对应的开销值如下:

Bridge ID(8Bytes):本网桥(交换机)的桥ID

Port ID(2Bytes):端口编号

Hellotime(2Bytes):BPDU间隔发送时间,默认为2秒

Max age:详见下面

Forward delay:详见下面

上述四个字段,在交换机交换BPDU的过程中就能够协商出结果。

在STP协议故障转移过程中,交换机接口状态有如下四个状态

当某个指定接口出现故障时,需要将原先的非指定接口转为指定接口。如何检测故障呢?

一种情况是,直接端口故障,交换机能够立即得知这样的故障,则将Blocking的非指定接口立即切换到Listening状态

另一种情况是,线路故障,交换机无法直接检测到,此时通过BPDU检测。正常情况下两台交换机之间会每两秒钟收到对方的BPDU,如果在Max age时间后,仍然无法收到BPDU的话,需要进行重选举,将原先Blocking的非指定接口,切换到Listening状态。

Listening状态持续Forward Delay时间,这段时间后,选举完成。之后进入Learning状态,交换机在该端口上进行学习MAC地址,但是不转发数据,以防止对未知单播帧的广播,这个时间持续Forward Delay时间;最后进入正常的Forwarding状态

一般情况下根据超时时间的设置,最长有可能需要经过30-50秒,STP协议才能重新选举完成

总结:

  • Blocking:非指定接口的状态,即不转发数据也不学习MAC地址
  • Forwarding:指定接口或根接口,转发数据和学习MAC地址
  • Listening:进入重选举的状态
  • Learning:重选举完成后,进入MAC地址学习,但不转发数据

下面是一个例子

  1. SWR的网桥优先级最小,所以SWR为根网桥,其接口为指定接口
  2. SWA、SWD的上面的两个接口到SWR的开销最小(都是19),所以都是根接口;同理,可以得到SWB和SWC的根接口
  3. SWA和SWD下面的端口都是其各自segement的指定接口(每个segment有且只有一个指定接口)
  4. SWB和SWC组成的segement还没有指定接口,此时由于SWB的桥优先级较小,所以SWB侧的接口为指定接口,而SWC侧的接口即为非指定接口,进入Blocking状态

PortFast

如果终端设备直接连接在交换机上,也需要等待30秒的话,会出现问题,比如DHCP超时。所以,可以配置交换机的接口为PortFast模式,PortFast的接口不会介入STP选举的过程,不需要等待30秒的选举过程。但是不能用在Trunck接口上,因为如果用在Trunck接口上启用PortFast,交换机之间无法进行STP选举,极易产生环路。所以PortFast一般只用在直连终端的“接入接口”。


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