清默网络--多种生成树

霸王龙小分队

基本 STP

        为了增加局域网的冗余性， 我们常常会在网络中引入冗余链路， 然而这样却会引起交换环路。交换环路会带来三个问题：广播风暴、同一帧的多个拷贝、交换机 CAM 表不稳定。

        STP(STP，Spanning Tree Protocol)可以解决这些问题，STP 基本思路是阻断一些交换机接口，构建一棵没有环路的转发树。STP 利用 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)和其他交换机进行通信，从而确定哪个交换机该阻断哪个接口。在 BPDU 中有几个关键的字段，例如：根桥 ID、路径代价、端口 ID 等。

        为了在网络中形成一个没有环路的拓扑，网络中的交换机要进行以下三个步骤： （1）选举根桥、 （2）选取根口、 （3）选取指定口。这些步骤中，哪个交换机能获胜将取决于以下因素（按顺序进行） ：

        （1） 最低的根桥 ID；

        （2） 最低的根路径代价；

        （3） 最低发送者桥 ID；

        （4） 最低发送者端口 ID。

        每个交换机都具有一个唯一的桥 ID，这个 ID 由两部分组成：网桥优先级+MAC 地址。网桥优先级是一个 2 个字节的数，交换机的默认优先级为 32768；MAC 地址就是交换机的 MAC地址。具有最低桥 ID 的交换机就是根桥。根桥上的接口都是指定口，会转发数据包。

        选举了根桥后， 其他的交换机就成为非根桥了。 每台非根桥要选举一条到根桥的根路径。

        STP 使用路径 Cost 来决定到达根桥的最佳路径（Cost 是累加的，带宽大的链路 Cost 低） ，

        最低 Cost 值的路径就是根路径，该接口就是根口；如果 Cost 职一样，就根据选举顺序选举根口。根口是转发数据包的。

        交换机的其他接口还要决定是指定口还是阻断口， 交换机之间将进一步根据上面的四个因素来竞争。指定口是转发数据帧的。剩下的其它的接口将被阻断，不转发数据包。这样网络就构建出一棵没有环路的转发树。

        当网络的拓扑发生变化时， 网络会从一个状态向另一个状态过渡， 重新打开或阻断某些接口。交换机的端口要经过几种状态： 禁用（Disable） 、阻塞（Blocking） 、监听状态

        (Listening)、学习状态（Learning） 、最后是转发状态(Forwarding)。

PVST

        当网络上有多个 VLAN 时，PVST(Per Vlan STP)会为每个 VLAN 构建一棵 STP 树。这样的好处是可以独立地为每个 VLAN 控制哪些接口要转发数据，从而实现负载平衡。缺点是如果VLAN 数量很多，会给交换机带来沉重的负担。Cisco 交换机默认的模式就是 PVST。

        14.1.3 portfast、uplinkfast、backbonefast

        STP 的收敛时间通常需要 30—50 秒。为了减少收敛时间，有一些改善措施。Portfast

        特性使得以太网接口一旦有设备接入， 就立即进入转发状态， 如果接口上连接的只是计算机或者其他不运行 STP 的设备，这是非常合适的。

        Uplinkfast 则经常用在接入层交换机上， 当它连接到主干交换机上的主链路上故障时，

        能立即切换到备份链路上，而不需要经过 30 秒或者 50 秒。Uplinkfast 只需要在接入层交换机上配置即可。

        Backbonefast 则主要用在主干交换机之间，当主干交换机之间的链路上故障时，可以比原有的 50 秒少 20 秒就切换到备份链路上。Backbonefast 需要在全部交换机上配置。

RSTP

        RSTP 实际上是把减少 STP 收敛时间的一些措施融合在 STP 协议中形成新的协议。RSTP中， 接口的角色有： 根接口、 指定接口、 备份接口(Backup Interface)、 替代接口 （AlternateInterface） 。接口的状态有：丢弃（Discarding） 、学习状态（Learning） 、转发状态(Forwarding)。接口还分为边界接口（Edge Port） 、点到点接口（Point-to-Point Port） 、

        共享接口（Share Port） 。
        

MST

        在 PVST 中，交换机为每个 VLAN 都构建一棵 STP 树，不仅会带来 CPU 的很大负载，也会占用大量的带宽。MST 则是把多个 VLAN 映射到一个 STP 实例上，从而减少了 STP 实例。MST可以和 STP、PVST 配合使用。对于运行 STP、PVST 的交换机来说，一个 MST 域看起来就像一台交换机。

STP 防护

        STP 协议并没有什么措施对交换机的身份进行认证。 在稳定的网络中如果接入非法的交换机将可能给网络中的 STP 树带来灾难性的破坏。 有一些简单的措施来保护网络， 虽然这些措施显得软弱无力。Root Guard 特性将使得交换机的接口拒绝接收比原有根桥优先级更高的 BPDU。而 BPDU Guard 主要是和 portfast 特性配合使用，portfast 使得接口一有计算机接入就立即进入转发状态， 然而万一这个接口接入的是交换机很可能造成环路。 BPDU Guard可以使得 portfast 接口一旦接收到 BPDU，就关闭该接口。

实验 1: STP、PVST

• 实验目的
  
  

        通过本实验，读者可以掌握如下技能：

        （1）  理解 STP 的工作原理

        （2）  掌握 STP 树的控制

        （3）  利用 PVST 进行负载平衡
        

• 实验拓扑
  
  

        

                               
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        图中，S1 和 S2 模拟为核心层的交换机，而 S3 为接入的交换机。S1 和 S2 实际上

        是三层交换机，我们这里并不利用其三层功能，所以它们也采用二层交换机的图标。
        

• 实验步骤
  
  

        我们要在网络中配置 2 个 VLAN，不同 VLAN 的 STP 具有不同的根桥，实现负载平衡。

        （1） 步骤 1：利用 VTP 在交换机上创建 VLAN2，在 S1 和 S2 之间的链路配置 Trunk

        S1(config)# vtp domain VTP-TEST

        Changing VTP domain name from NULL to VTP-TEST

        S1(config) #vlan 2

        //在 S1 上配置 VTP 的域名，并创建 VLAN 2。由于默认时 S2 和 S3 的 VTP 域名为空，它们将自动学习到 S1 的 VTP 域名，同时 S2、S3 也将自动学习到 VLAN 2，请确认是否成功。

        S1(config)#i nt f0/14

        S1(config-if)# shutdown

        //关闭该接口，以免影响我们的实验

        S1(config)#i nt f0/13

        S1(config-if)# switchport trunk encapsulation dot1q

        S1(config-if)# switchport mode trunk

        //S1 的 f0/13 改为 negotiate 后， 由于默认时 S2 的 f0/13 为 auto 模式， S1 和 S2 将自动协商成功 Trunk。而默认时 S3 的以太网接口就是 desirable 模式，所以 S3 和 S1、S2 的链路也自动协商成功 Trunk。请确认三条链路的 Trunk 是否成功。

        （2） 步骤 2：检查初始的 STP 树

        S1# show spanning-tree

        VLAN0001

        Spanning tree enabled protocol ieee

        //以上表明运行的 STP 协议是 IEEE 的 802.1D

        Root ID Priority 32768

        Address 0009.b7a4.b181

        Root ID Priority 32768

        Address 0009.b7a4.b181

        Cost 19

        Port 17 (FastEthernet0/15)

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        //以上显示 VLAN 1 的 STP 树的根桥信息，通过根桥的 MAC 地址可以确定 S3 是根桥。这是

        因为 S3 是较早的交换机，具有较低的 MAC 地址。由于 S3 是一台低端的交换机，成为根桥

        显然是不合理的。

        //以上显示 VLAN 1 的 STP 树的根桥信息，通过根桥的 MAC 地址可以确定 S3 是根桥。这是

        因为 S3 是较早的交换机，具有较低的 MAC 地址。由于 S3 是一台低端的交换机，成为根桥

        显然是不合理的。

        Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)

        Address 0018.ba11.f500

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Aging Time 300

        //以上显示该交换机的桥 ID

        Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type

        —————- —- — ——— ——– ——————————–

        Fa0/13 Altn BLK 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Root FWD 19 128.17 P2p

        Fa0/13 Altn BLK 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Root FWD 19 128.17 P2p

        //以上显示该交换机各个接口的状态，f0/13 为阻断状态，f0/15 为根口

        VLAN0002

        Spanning tree enabled protocol ieee

        Root ID Priority 32768

        Address 0009.b7a4.b182

        Cost 19

        Port 17 (FastEthernet0/15)

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Bridge ID Priority 32770 (priority 32768 sys-id-ext 2)

        Address 0018.ba11.f500

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Aging Time 300

        Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type

        —————- —- — ——— ——– ——————————–

        Fa0/13 Altn BLK 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Root FWD 19 128.17 P2p

        //以上是 VLAN 2 的 STP 树情况，VLAN 2 的 STP 树和 VLAN 1 的类似。默认时，Cisco 交换机

        会为每个 VLAN 都生成一个单独的 STP 树，称为 PVST(Per VLAN Spanning Tree)。

        【技术要点】需要仔细分析为什么 STP 会是目前这种情况。三个交换机的默认优先级都是32768， 而 S3 的 MAC 较低， 所以成为了根桥， 则 S3 上的 f0/1 和 f0/2 是指定口， 处于 Forword状态。S1 有两个接口可以到达 S3，一个接口是 f0/13，到达 S3 的 Cost 为 19＋19＝38，另一个接口是 f0/15，到达 S1 的 Cost 为 19，因此 f0/15 是根口，处于 Forword 状态。同样S2 上，f0/15 也是根口，处于 Forword 状态。在 S1 和 S2 之间的链路上，要选举出一个指定口。 根据选举的要素， 根桥的 ID 是一样的， 不能决出胜负； 到达根桥的 Cost 值也是一样的，都为 19，不能决出胜负；但是发送者桥 ID 不一样，S1 的 MAC 地址高，S2 的 MAC 地址低，S2 获胜， 所以 S2 的 f0/13 是指定口， 处于 Forward 状态， S1 的 f0/13 就处于 Block 状态了。

        （3） 步骤 3：控制 S1 为 VLAN1 的根桥，S2 为 VLAN2 的根桥
        S1(config)# spanning-tree vlan 1 priority 4096

        S2(config)# spanning-tree vlan 2 priority 4096

        //对于 VLAN 1 来说，S1 的优先级为 4096，而 S2 和 S3 保持默认值 32768，这样 S1 就成为了 VLAN 1 的根桥。同样我们控制 S2 成为了 VLAN 2 的根桥。优先级通常要是 4096 的倍数。

        S1# show spanning-tree

        VLAN0001

        Spanning tree enabled protocol ieee

        Root ID Priority 4097

        Address 0018.ba11.f500

        This bridge is the root

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        //S1 成为了 VLAN 1 的根桥了

        Bridge ID Priority 4097 (priority 4096 sys-id-ext 1)

        Address 0018.ba11.f500

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Aging Time 15

        Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type

        —————- —- — ——— ——– ——————————–

        Fa0/13 Desg FWD 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Desg FWD 19 128.17 P2p

        Fa0/13 Desg FWD 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Desg FWD 19 128.17 P2p

        //对于 VLAN 1 来说，f0/13 和 f0/15 是指定口，都处于转发状态了

        VLAN0002

        Spanning tree enabled protocol ieee

        Root ID Priority 4098

        Address 0018.ba11.eb80

        Root ID Priority 4098

        Address 0018.ba11.eb80

        Cost 19

        Port 15 (FastEthernet0/13)

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        //S2 成为了 VLAN 2 的根桥了

        Bridge ID Priority 32770 (priority 32768 sys-id-ext 2)

        Address 0018.ba11.f500

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Aging Time 15

        Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type

        —————- —- — ——— ——– ——————————–

        Fa0/13 Root FWD 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Altn BLK 19 128.17 P2p

        Fa0/13 Root FWD 19 128.15 P2p

        Fa0/15 Altn BLK 19 128.17 P2p

        //对于 VLAN 2 来说，f0/13 是根口，处于转发状态，而 f0/15 却是阻断状态

        //对于 VLAN 2 来说，f0/13 是根口，处于转发状态，而 f0/15 却是阻断状态

        S3#s how spanning-tree brief

        VLAN1

        Spanning tree enabled protocol ieee

        Root ID Priority 4097

        Address 0018.ba11.f500

        Cost 19

        Port 1 (FastEthernet0/1)

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Bridge ID Priority 32768

        Address 0009.b7a4.b181

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Aging Time 300

        Interface Designated

        Name Port ID Prio Cost Sts Cost Bridge ID Port ID

        ——————– ——- —- —– — —– ——————– ——-

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 FWD 0 4097 0018.ba11.f500 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 FWD 19 32768 0009.b7a4.b181 128.2

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 FWD 0 4097 0018.ba11.f500 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 FWD 19 32768 0009.b7a4.b181 128.2

        //在 S3 上，对于 VLAN1，S3 的 f0/1 和 f0/2 都处于转发状态。

        VLAN2

        Spanning tree enabled protocol ieee

        Root ID Priority 4098

        Address 0018.ba11.eb80

        Cost 19

        Port 2 (FastEthernet0/2)

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Bridge ID Priority 32768

        Address 0009.b7a4.b182

        Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

        Aging Time 300

        Interface Designated

        Name Port ID Prio Cost Sts Cost Bridge ID Port ID

        ——————– ——- —- —– — —– ——————– ——-

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 FWD 19 32768 0009.b7a4.b182 128.1

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 FWD 0 4098 0018.ba11.eb80 128.17

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 FWD 19 32768 0009.b7a4.b182 128.1

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 FWD 0 4098 0018.ba11.eb80 128.17

        //S3 上，对于 VLAN2，S3 的 f0/1 和 f0/2 也都处于转发状态。

        （4） 步骤 4：控制指定口在步骤 3 中可以看到对于 VLAN 1， S1 成为了根桥， S1 的 f0/13 和 f0/15 处于转发状态；S2 的 f0/13 是根口，也处于转发状态；S3 的 f0/1 是根口，也处于转发状态；然而 S2 和 S3之间的链路上， 却是低端交换机 S3 的 f0/2 在转发数据， 原因在于 S2 和 S3 在竞争指定口时，由于 S3 的 MAC 较低而获胜了，这是不合理的。VLAN 2 的情况类似。
我们要控制指定口，这可以通过改变优先级实现，如下：

        S2(config)# spanning-tree vlan 1 priority 8192

        S1(config)# spanning-tree vlan 2 priority 8192

        //对于 VLAN 1 来说，S2 的优先级为 8192,比 S1 的 4096 低，不至于成为根桥，但是比 S3

        的 32768 低，所以在竞争指定口时会获胜。VLAN 2 的情况类似。

        S3#show spanning-tree brief

        VLAN1

        （此处省略）

        Interface Designated

        Name Port ID Prio Cost Sts Cost Bridge ID Port ID

        ——————– ——- —- —– — —– ——————– ——-

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 FWD 0 4097 0018.ba11.f500 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 BLK 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 FWD 0 4097 0018.ba11.f500 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 BLK 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        //S3 上，对于 VLAN1，S3 的 f0/1 处于转发状态，而 f0/2 处于阻断状态。

        VLAN2

        （此处省略）

        Interface Designated

        Name Port ID Prio Cost Sts Cost Bridge ID Port ID

        ——————– ——- —- —– — —– ——————– ——-

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 BLK 19 8194 0018.ba11.f500 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 FWD 0 4098 0018.ba11.eb80 128.17

        FastEthernet0/1 128.1 128 19 BLK 19 8194 0018.ba11.f500 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 19 FWD 0 4098 0018.ba11.eb80 128.17

        // S3 上，对于 VLAN 2，S3 的 f0/1 处于阻断状态，而 f0/2 处于转发状态，这样起到了负

        载平衡的作用。
        

实验 2: PORTFAST、UPLINKFAST、BACKBONEFAST

• 实验目的
  
  

        通过本实验，读者可以掌握如下技能：

        （1） 理解 portfast 的工作场合和配置

        （2） 理解 uplinkfast 的工作场合和配置

        （3） 理解 backbonefast 的工作场合和配置

• 实验拓扑
  
  

        

                               
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• 实验步骤
  
  

        在实验 1 的基础上继续本实验，我们将只关心 VLAN 1 的 STP 树。

        （1） 步骤 1：配置 portfast

        图 14-1 中，S1 的 f0/5 是用于接入计算机。当计算机接入时，f0/5 接口立即进入

        Listening 状态，随后经过 Learning，最后才成为 Forwarding，这期间需要 30 秒的时间。

        这对于有些场合是不可忍受的，可以配置 portfast 特性，使得计算机一接入，接口立即进入 Forwarding。

        S1(config)# int f0/5

        S1(config-if)# spanning-tree portfast

        %Warning: portfast should only be enabled on ports connected to a single         host. Connecting hubs, concentrators, switches, bridges, etc… to this

        interface when portfast is enabled, can cause temporary bridging loops.

        Use with CAUTION

        %Portfast has been configured on FastEthernet0/5 but will only

        have effect when the interface is in a non-trunking mode.

        //交换机会警告该接口只能用于接入计算机或者路由器，不要接入其他的交换机

        （2） 步骤 2：配置 uplinkfast

        先确认实验 1 的 STP 树已经正确。在图 14-1 中的 S1 上，关闭 f0/15 接口，在 S3 上反复执行“ show spanning-tree vlan 1 brief”观察 f0/2 接口的状态变化：
        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 LIS 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        大约 15 秒后变为：

        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 LRN 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 LRN 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        大约 15 秒后变为：

        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 FWD 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        合计大约 15＋15＝30 秒，f0/2 变为转发状态。

        S3(config)# spanning-tree uplinkfast

        S1(config)# int f0/15

        S1(config-if)# no shutdown

        S1(config-if)# shutdown //等 STP 重新稳定后，才执行该语句

        在 S3 上重复执行“ show spanning-tree vlan 1 brief”，可以看到 f0/2 很快就进入了

        Forwarding 状态。

        【技术要点】没有配置 uplinkfast 时，交换机 S3 如果能直接检测到 f0/1 接口上的链路故障，f0/2 会立即进入 Listen 状态，这样 30 秒就能进入 Forward 状态。然而如果 S1 和 S3之间存在一个 Hub，S1 上的 f0/15 接口故障了，S3 将无法直接检测到故障，S3 只能等待 10个周期没有收到 S1 的 BPDU（每个周期 2 秒），20 秒中后，S3 的 f0/2 才进入 Listen 状态，这样总共 50 秒才就能进入 Forward 状态。所以 STP 重新收敛的时间通常需要 30—50 秒。
        （3） 步骤 3：配置 backbonefast打开 S1 上 f0/15 接口，确认 STP 树已经正确。在图 14-1 中的 S1 上，关闭 f0/13 接口，在 S3 上反复执行“ show spanning-tree vlan 1 brief”观察 f0/2 接口的状态变化：
        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 BLK 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17
        大约 20 秒后变为：
        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 LIS 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17
        大约 15 秒后变为：
        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 LRN 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 LRN 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        大约 15 秒后变为：

        FastEthernet0/2 128.2 128 3019 FWD 19 8193 0018.ba11.eb80 128.17

        合计大约 20＋15＋15＝50 秒，f0/2 变为转发状态。

        S1(config)# spanning-tree backbonefast

        S2(config)# spanning-tree backbonefast

        S3(config)# spanning-tree backbonefast

        S1(config)# int f0/13

        S1(config-if)# no shutdown

        S1(config-if)# shutdown //等 STP 重新稳定后，才执行该语句

        在 S3 上重复执行“ show spanning-tree vlan 1 brief”，可以看到 f0/2 很快就进入了Listening 状态，合计大约 15＋15＝30 秒后，f0/2 就变为转发状态，比之前的 50 秒少了20 秒。

        【提示】uplinkfast 命令只需要在 S3 配置即可，而 backbonefast 命令需要在 S1、S2、S3三台交换机上都配置。