第5章 生成树技术

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5.3 生成树的工作过程
某网桥共有5个端口连接到网络中，分别收到5个配置消息， 他们分别是Port1（32、0，32），Port2（23、18，123）， Port3（23、14，321），Port4（23、14，100），Port5（23、 15，80）。这里我们只用了（根网桥标识，最短路径开销，指 定网桥）来代替配置消息，但是这个不影响配置消息的比较。
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5.2 生成树工作原理
（3）在每个网段中都有一个交换机被称为指定交换机 （Designated Switch），它属于该网段中根路径花费最少的交换 机。把网段和指定交换机连接起来的端口就是网段的指定端口 （Designated Port）。如果指定交换机有两个以上的端口连在这 个网段上，则具有最高优先级的端口被选为指定端口，而其他端 口被阻塞。 （4）连接到被阻塞端口的链路成为冗余链路。当交换机在状 态转换时，不转发任何数据帧。当所有的交换机都确定有相同的 数据库时，就表示算法已经收敛了，相应的端口开始转发数据。
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5.3 生成树的工作过程
优先级高的配置消息就是最优配置消息，选出最优的配置消 息后，就可以更新自己的配置消息，更新自己的配置消息也要确 定一下几个参数： （1）确定根网桥标识。取最优配置消息的根网桥标识作为新 的配置消息的根网桥； （2）确定网桥的根端口。如果自己是根网桥，则根端口为0， 否则比较端口的最短路径开销，端口的最短路径开销是配置消息 中的最短路径开销与接收该配置消息的端口开销之和，最短路径 开销值小的端口为根端口；如果端口的最短路径开销相同，则比 较端口所在LAN的指定网桥，指定网桥值小的为根端口；如果指 定网桥仍然相同，则比较端口所在LAN的指定端口，指定端口小 的为根端口；如果上述参数都相同，则比较端口自身的端口号， 端口号小的为根端口。同一网桥的端口号是唯一的，所以到这里 就能确定根端口； （3）确定网桥的最短路径开销。如果自己是根网桥，则最短 路径开销为0，否则为最有配置消息的最短路径开销与根端口的 开销之和；
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5.5 快速生成树
可见，RSTP协议相对于STP协议的确改进了很多。为了支持这 些改进，BPDU的格式做了一些修改，但RSTP协议仍然向下兼容STP 协议，可以混合组网。虽然如此，RSTP和STP一样同属于单生成树 SST（Single Spanning Tree），有它自身的诸多缺陷，主要表现 在三个方面： 第一点缺陷：由于整个交换网络只有一棵生成树，在网络规模 比较大的时候会导致较长的收敛时间，拓扑改变的影响面也较大； 第二点缺陷：在网络结构对称的情况下，单生成树也没什么大 碍。但是，在网络结构不对称的时候，单生成树就会影响网络的连 通性； 第三点缺陷：当链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了带宽 的极大浪费，这在环行城域网的情况下比较明显。 这些缺陷都是单生成树SST无法克服的，于是支持VLAN的多生 成树协议出现了。
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5.3 生成树的工作过程
（4）确定指定网桥。指定网桥就是自己的网桥标识； （5）选出指定端口。确定了上述参数后，针对每个端口，网 桥就可以形成自己的配置消息了，并将形成的配置消息，与从 该端口接收到的配置消息进行比较，如果新的配置消息优于该 端口接收到的配置消息，该端口为指定端口，否则该端口为阻 塞端口。 然后将新的配置消息从所有指定端口发送出去，从而形成 下一轮的配置消息比较，直至配置消息稳定。
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5.3 生成树的工作过程
当网桥接收到来自于邻居的配置消息后，需要比较他们的 优先级，利用找出的优先级最高的配置消息更新自己的配置消 息，再发送出去。交换机是按照以下步骤来确定最有配置消息 的： （1）首先，比较配置消息的根网桥的标识，根网桥标识小 的优先级高； （2）如果配置消息中的根网桥标识相等，就比较它们的最 短路径开销，最短路径开销与接收端口的端口开销之和小的优 先级高； （3）如果前面的两个参数都相等，再比较它们的指定网桥， 指定网桥值小的优先级高； （4）如果前面三个参数都相等，再比较它们的指定端口， 指定端口小的优先级高。
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网络互联技术与实训
主 编 鲁顶柱 刘邦桂
中国水利水电出版社
第五章
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生成树技术
生成树产生背景 生成树的原理 生成树的工作过程 生成树的拓扑变化 快速生成树 生成树的基本配置
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5.1 生成树产生背景
我们知道，第一，当地址表中没有目的地址的条目时，交换机 会采用广播的方式转发到除源端口外的其他所有端口；第二，交换 机其实就是透明的网桥，在有地址表的时候，交换机能够按照MAC 地址表正确的转发，但是它没有记录关于转发过数据帧的转发记录， 当它再次收到同样一个数据帧的时候，仍然是毫无记录的将数据帧 按MAC地址表转发到指定的端口。这样一来，如果存在多条路径， 就容易形成回环，导致数据帧在环中不断的循环传递，从而产生广 播风暴、帧的多个拷贝、地址表不稳定等问题，消耗网络带宽，使 网络性能下降而不能工作。
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5.6 生成树的基本配置
生成树协议的配置是比较简单的，如果只需要保证网络避免 环路的形成，启动生成树协议即可，在H3C系列交换机中启动生 成树协议的命令为： [SwitchA]stp enable 完成上一命令执行后，交换机所有的端口都将参与生成树的 计算，为了降低交换机的运算负荷，如果可以确定某些端口连接 的部分不存在环路，则可以在端口试图下面，将生成树功能禁止： [SwitchA-Ethernet1/0/1]stp disable 如果是仅仅启动了生成树协议，而生成树协议参数的缺省值 固定，那么网络中根网桥，根端口的选择是不受控制的，而在实 际的网络中，我们总是希望核心设备能够成为生成树的树根，此 时就需要我们修改相应的参数了，H3C系列交换机可以修改很多 的参数。
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5.4 生成树的拓扑变化
当网络链路故障时，拓扑结构必定发生变化，导致生成树 重新计算，但新的配置消息要进过一定的时延才能传播到整个 网络，在所有网桥受到这个拓扑变化之前，可能会出现下面的 情况： （1）若旧的拓扑结构中处于转发状态的端口还没有发现自 己应该在新的拓扑结构中停止转发，则可能存在临时环路； （2）若旧的拓扑结构中阻塞的端口还没有发现自己应该在 新的拓扑结构中开始转发，则可能造成网络暂时失去连通性。 对于第二种情况，不会形成太大的影响，但是第一种情况， 很可能产生网络风暴，而导致全网业务故障，所以应该尽量避 免，为了解决这个问题，STP提供了定时策略，通过定时器的限 制和端口状态的迁移有效的阻止了临时环路的形成。 当网络拓扑结构发生变化的时候，有两种情况发生，但是 STP仅仅解决了最重要的一个问题，而网络临时失去连通性并没 有做任何的处理，网络经过两倍的转发延时才能恢复连通性， 对于某些重要的业务影响还是比较严重的。那么我们有没有什 么改进的办法呢？下面的快速生成树协议(RSTP)帮我们找到了 答案。
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5.3 生成树的工作过程
按照前面的步骤： 按照前面的步骤： （1）首先，比较配置消息中的根网桥标识，其中最小的为23； （2）确定根端口。假设这是10Gb/s的链路，按照第二次修正的 端口开销值为2，则端口3和端口4具有最小的最短路径开销为16， 所以端口4为根端口。 （3）确定网桥的最短路径开销。最短路径开销为最有配置消息 中的最短路径开销与根端口开销之和，这里为16； （4）确定指定网桥。这里的指定网桥就是自己的网桥标识B81。 至此形成了新的配置消息（23，16，81），与接收到的配置消 息比较，该消息优于端口1和端口2接收到的配置消息，所以端口1 和端口2为指定端口；该消息劣于端口3和端口5接收到的配置消息， 所以端口3和端口5被阻塞，新的配置消息（23，16，81）从指定端 口发送出去。
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5.1 生成树产生背景
生成树协议（Spaning-Tree protocol STP）就是在具有物理回 环的交换机网络上，生成没有回环的逻辑网络的方法。生成树协 议使用生成树算法，在一个具有冗余路径的容错网络中计算出一 个无环路的路径，使一部分端口处于转发状态，而一部分端口处 于阻塞状态，从而形成一个稳定的、无环路的生成树网路拓扑结 构，而且一旦发现当前路径的故障，生成树协议能立即激活相应 的端口，打开备用链路，重新生成生成树的网络拓扑，从而保持 网络的正常工作。生成树协议的关键就是保证网络上任何一点到 另一点的路径有一条且只有一条 。生成树协议的使用使得具有 冗余路径的网络既具有了容错的能力，同时又避免了产生回环带 来的不利影响。在运行生成树协议的情况下，为了避免路径回环， 生成树协议强迫交换机的端口经历不同的状态，共有5中状态。
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wenku.baidu.com 5.2 生成树工作原理
网络中所有的交换机每隔一定的时间（缺省值为2s）就发 送和接受BPDU数据帧，并且用它来检测生成树拓扑的状态，通 过生成树算法得到生成树，生成树协议的工作原理如下： （1）具有最高优先级（优先级的ID值最小）的交换机被选 为根交换机，如果两个交换机的具有相同的优先级，拥有较小 的MAC地址的交换机成为根交换机。 （2）每个交换机端口都有一个路径花费，根路径花费是该 交换机到根交换机所经过的各个网段的路径花费的总和。一台 交换机中根路径花费的值为最低的端口被选为根端口，如有多 个端口具有相同的根路径花费，则具有最高优先级的端口为根 端口。路径花费由链路速度决定，它由IEEE指定。
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5.5 快速生成树
RSTP是从STP发展过来的，其实现基本思想一致，但是它更进 一步的处理了网络临时失去连通性的问题，RSTP规定在某些情况 下，处于阻塞状态的端口不需要经过2倍的转发时延而可以直接进 入转发状态。如网络的边缘端口（即直接与终端相连的端口）， 可以直接进入转发状态，不需要任何的时延。或者是网桥旧的端 口已经进入了阻塞状态，并且新的根端口所连接的对端网桥的制 定端口仍然处于转发状态，那么新的根端口可以立即进入转发状 态。即使是边缘的指定端口，也可以通过与相连的网桥进行一次 握手，等待对端的网桥的赞同报文而快速进入转发状态。当然， 这有可能导致进一步的握手，但是握手的次数会受到网络直径的 影响。 从RSTP的改进我们可以看出，它就有很好的该进性能： （1）对于边缘端口，端口的状态变化根本不会影响网络的连 通性，并且不需要传递任何的配置消息； （2）对于根端口，发现网络拓扑改变到恢复连通性时间可以 缩短到数毫秒，并且不需要传递配置信息； （3）对于非边缘端口的制定端口，网络连通性可以在交换两 个配置消息的时间内（即握手的时延）恢复，即使在最坏的情况 下，握手从网络的一边传到另外一边也不会太长。如以太网上最 大网络直径为7，经过6次握手即可恢复连通性。
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5.2 生成树的原理
生成树协议使用称为网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit,BPDU）的特殊数据帧来传送设备的有关 信息。BPDU数据帧中包含了一下信息： 根网桥的标识：由网桥的优先级和网桥的48位MAC地址组合而 根网桥的标识 成，前面是优先级，后面是MAC地址； 从发送网桥到根网桥的最小路径开销：即最短路径上所有连 从发送网桥到根网桥的最小路径开销 路开销的代数和； 发送网桥的标识：由网桥的优先级和网桥的48位MAC地址组合 发送网桥的标识 而成，前面是优先级，后面是MAC地址，对于LAN来说，它就 是指定网桥； 发送端口的标识：由端口优先级和端口索引值组合而成，对 发送端口的标识 于LAN来说，它就是指定端口。 最初，所有网桥都发送以自己为根网桥的配置消息（根 网桥，最短路径开销，指定网桥，指定端口）。网桥将收到 的配置消息和自己的配置消息进行优先级的比较，保留优先 级较高的配置消息，并由此来完成生成树的计算。
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5.1 生成树产生背景
在缺省情况下，交换机开机时，所有的端口一开始是阻塞状态， 经过20s后，交换机端口将进入监听状态，经过15s后进入学习状态， 再经过15s后一部分端口进入转发状态，而另一部分端口（冗余的） 被置于阻塞状态。 当生成树算法达到收敛时，其收敛的时间为50s。如果网络拓扑 因为故障而连接发生变化或者增加了新交换机到网络中时，生成树 算法将自动重新启动，端口的状态也会发生相应的变化。一旦交换 机决定沿最好的路径到根交换机，则所有冗余端口将进入阻塞状态， 而如果原来的阻塞端口变为指定端口，它将转变为监听状态。