A模块 系统与网络安全 第四门课 弹性交换网络-2

今日目标

• STP协议概述
• STP工作原理
• 选举根端口和指定端口
• BPDU
• MSTP工作原理及配置
• MSTP负载均衡

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1 STP协议概述

1.1 环路的危害

单点故障

• PC之间的互通链路仅仅存在1个
  任何一条链路出现问题，PC之间都会无法通信
  

解决方案

• 提高网络可靠性
  增加冗余/备份链路
  

产生新的问题

• 增加备份链路后交换网络上产生二层环路
  PC1访问PC2,PC1知道PC2的IP地址，但是不知识PC2的MAC地址
  PC1会发送ARP广播（目的MAC为全FFFF数据帧）

环路导致广播风暴

• 环路导致广播风暴
  交换机收到广播帧后，会从除接收端口外的其他所有接口广播
  广播帧在交换机之间一直循环下去，众多的广播帧最终形成广播风暴
  

广播风暴导致网络不可用

• 广播风暴导致网络瘫痪
  广播帧增多形成广播风暴，从而导致链路拥塞，并极大消耗设备资源，最终导致网络拥塞不可用，还会导致设备宕机不可用
  

1.2 消除环路：STP协议

STP概述

• STP:生成树协议(IEEE802.1d)
  STP:Spanning Tree Protocol(生成树协议)
  通过阻塞某个接口在逻辑上断开环路，防止广播风暴，破除二层环路
  当主线路故障，阻塞接口被激活，主线路恢复，备份线路再次被阻塞
  
• STP:生成树协议
  交换机之间通过周期性的发送BPDU报文，来实现STP的功能
• BPDU:桥协议数据单元
  Bridge Protocol Data Unit一桥协议数据单元，即STP协议的报文也称二层的“心跳报文”，周期性发送，默认每2秒发送1次组播发送，组播MAC地址为：01-80-C2-00-00-00

2 STP工作原理

STP工作原理

步骤1：选举根交换机
步骤2：在每个非根交换机上选举1个根端口
步骤3：在每条链路（每个网段）上选举1个指定端口
步骤4：阻塞非根端口、非指定端口

2.1 选举根交换机

选举根交换机

• 根网桥（根交换机）
  STP引入了根桥(Root Bridge)概念
  在一个STP网络中，根桥只有一个
  STP初始化时，所有的交换机都认为自己是“根交换机”
  交换机之间通过比较BID的来确定根交换机，BD值小的为根交换机
• 网桥ID(BID)
  STP协议为交换机取的名字，用于在交换网络中唯一标识该设备
  BID是优先级与MAC地址组成，BID值越小越优先
  B1D优先级取值范围：0~61440、默认值是：32768
  BID优先级步长值：4096(0或4096的倍数)
  
• 通常根据BID优先级，选择根交换机
  BD值小的为根交换机，首先比较优先级，优先级小的为根交换机
  如果优先级一致，则MAC地址小的为根交换机
  

STP配置命令

• 启动或关闭交换机的STP功能
  默认情况下交换机的STP功能处于开启状态

[Huawei]stp {enable disable}

• 选择交换机的STP运行模式
  默认情况下交换机的STP运行模式为MSTP

[Huawei]stp mode (stp|rstp mstp}

• 修改交换机的STP优先级，设置根交换机

[Huawei]stp priority 4096    //设置STP的优先级为4096

• 查看生成树状态信息

[Huawei]display stp

3 选举根端口和指定端口

3.1 选举根端口

• 根端口定律
  非根交换机中有且只有一个根端口
• 选举根端口原则
  非根交换机到根交换机的根路径开销值最小的端口（此端口到根的路径成本之和最低）如果根路径开销值相同，则比较对端交换机的BID,越小越优
  如果对端BID也相同，则比较对端的PID,越小越优(PID由端口优先级和端口号组成，优先级取值范围：0~240、步长值为16、端口优先级默认为128，所以端☐号小PID就小)
  
• 路径开销（路径成本）：Cost
  交换机的每一个端口都有一个路径开销-Cost值
  交换机端口Cost值和端口带宽有关，带宽越高，Cost值越小
  默认情况下千兆端口开销为20000
  默认情况下百兆端口开销为200000
  
• 在非根网桥SW2/SW3上，选择一个根端口(RP)
  到根交换机的根路径开销值最小的端口，即根端口
  SW2/SW3的根端口为G0/0/1
  

3.2 选举指定端口

• 指定端口定律
  在每条链路上选择一个指定端口
  根交换机的接口全是指定端口
• 选举指定端口原则
  一条链路上，到根交换机的根路径开销值最小的端口，即指定端口
  如果根路径开销相同，则比较接口所在交换机的BID,越小越优
  如果交换机的BID也相同，则比较=PID,越小越优

3.3 生成树算法的结果

• 最后剩下的端口，被阻塞
  
• 最终形成“数据转发路径”
  
• 被“阻塞”的链路，作为“备份”链路
  

4 BPDU

• BPDU的4个关键字段，用于选举交换机角色和端口角色

BPDU报文字段	字段作用
协议ID
协议版本号
报文类型
拓扑变化标志
根网桥ID	当前根桥的BID
根路径开销	本端口累计到根桥的开销值(Cost)
发送网桥ID	本交换设备的BID
端口ID	发送该BPDU报文的端口ID (PID)
报文老化时间
消息老化时间
发送报文间隔时间
转发延迟时间

STP的收敛

• STP端口的5种状态

状态	用途
禁用(Disabled)	强制关闭，没有启用STP协议
阻塞(Blocking)	只接收BPDU,不能发送BPDU
侦听(Listening)	比较BPDU,确定交换机角色和端口角色
学习(Learning)	基于端口上收到的数据帧，学习MAC地址表
转发(Forwarding)	端口的最终的完美状态，发送和接收用户数据

• STP的3种计时器，用于维护STP
  Hello时间：端口发送BPDU报文的时间间隔，默认是2s
  转发延迟(Forward delay):端口从侦听到学习状态，分别停留的时间
  最大老化时间(Max Age):一个端口最大的“没有接收BPDU”的时间间隔

• STP的收敛时间为：30s~50s,非常慢
  

5 MSTP工作原理及配置

STP回顾

• 弊端
  收敛时间慢：30s~50s
  设备利用率低

• 方案
  RSTP,快速生成树协议
  MSTP,多生成树协议

RSTP概述

• RSTP:快速生成树协议
  STP的基础上优化而来
  实现网络的快速收敛，降低网络故障时间，提高数据转发的效率
• RSTP对STP的改进
  增加了2种端口角色(AP和BP)
  RSTP将STP的5种状态减少到了3种：转发(Forwarding)、学习(Learning)、丢弃(Discarding)
  引入了让指定端口尽快进入转发状态的机制(P/A机制)
• RSTP的不足
  RSTP和STP有一个共同缺陷：局域网内所有的VLAN共享一棵生成树。
  所有的VLAN的数据转发路径是相同的。
  交换机之间的多个链路，只能实现备份的作用，永远只会使用其中的主链路转发数据，无法实现VLAN数据流的负载均衡，从而无法提高设备利用率，还有可能造成部分VLAN的数据流无法转发。

MSTP概述

1. MSTP,即Multiple STP,多生成树协议
   RSTP的基础上优化而来
   MSTP网络中，引入了域的概念，称为MST域
   每个MST域中包含一个或多个“生成树”称之为“实例”
   引入了实例(instance)的概念，实现VLAN数据流的负载均衡
   默认情况下，所有的VLAN都属于同一个默认的实例-Instance0
   可以基于需求，可以将不同的VLAN分配到不同的实例中
   不同的实例，就是不同的“生成树”，就对应着多个不同的“根桥”

配置思路

1. 每个交换机创建相同的VLAN
2. 交换机之间的链路配置为Trunk,允许所有的VLAN通过
3. 交换机启用STP协议，配置模式为MSTP
4. 交换机指定MST域的域名、实例和vlan的对应关系
5. 交换机上激活MST域的配置
6. 验证与测试MST域的配置

7. 同一个MST域的交换机配置特点：
   都启动了MSTP
   域名配置相同
   实例配置相同

6 MSTP负载均衡衡

8. STP/RSTP的弊端
   所有的VLAN共用一个“生成树”，防止环路的同时只能确保一半的设备得到利用，另外
   一半的设备仅仅用作“备份”，无法提高设备的利用率
9. MSTP负载均衡
   不同的VLAN关联到不同的实例
   不同的实例的根交换机放置在不同的交换机上
   不同的VLAN通过不同的根交换机进行数据的转发，从而确保提高设备的利用率，同时设
   备之间还能实现备份
   
10. 需求描述
    PC1属于VLAN10,IP地址为192.168.10.1/24，网关为192.168.10.254
    PC2属于VLAN20,1P地址为192.168.20.1/24，网关为192.168.20.254
    确保PC1与PC2互通
    合理配置MSTP,确保PC1与PC2之间的互通路径是最优的

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练习

1. 选举根交换机
2. 理解STP工作原理
3. MSTP负载均衡一
4. MSTP负载均衡二

1 选举根交换机

1.1 问题

设置SW1的STP优先级为4096，让SW1成为根交换机

查看根交换机信息

1.2 方案

使用eNSP 搭建实全环境，如图-1所示。

图-1

1.3 步骤

实现此案例需要按照如下步骤进行。

[SW1]stp priority 4096     //设置STP的优先级为4096
<SW1>display stp 
-------[CIST Global Info][Mode STP]-------
CIST Bridge         :4096 .4c1f-ccca-079f            （本机的BID）
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :4096 .4c1f-ccca-079f / 0       （根网桥的BID）
<SW2>display stp
-------[CIST Global Info][Mode STP]-------
CIST Bridge         :32768.4c1f-ccb9-2000            （本机的BID）
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :4096 .4c1f-ccca-079f / 20000   （根网桥的BID）
<SW3>display stp
-------[CIST Global Info][Mode STP]-------
CIST Bridge         :32768.4c1f-cc9e-6330          （本机的BID）
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :4096 .4c1f-ccca-079f / 20000  （根网桥的BID）

2 理解STP工作原理

2.1 问题

如何选择根网桥、根端口、指定端口、被阻塞的端口？

2.2 方案

使用eNSP 搭建实全环境，如图-2所示。

图-2

2.3 步骤

实现此案例需要按照如下步骤进行。

1）设置工作模式为STP，并设置SW1/SW2的STP的优先级

[SW1]stp priority 4096     //设置STP的优先级为4096
[SW2]stp priority 8192    //设置STP的优先级为8192
[SW1]display  stp  brief     //显示STP简要信息
[SW2]display  stp  brief     //显示STP简要信息
[SW3]display  stp  brief     //显示STP简要信息

2）选择根网桥

网桥ID最小

3）选择根端口(非根网桥)

此端口到达根网桥路径成本最低
此端口直连网桥ID最小

4）选择指定端口(每根网线)

根网桥上所有端口都是指定端口
此端口所在交换机到达根网桥成本最低
此端口所在的换机的网桥ID最小

3 MSTP负载均衡一

3.1 问题

3.2 方案

使用eNSP搭建实验环境，如图-3所示。

图-3

3.3 步骤

实现此案例需要按照如下步骤进行。

[S1]vlan batch 10 20
[S1]port-group 1
[S1-port-group-1]group-member g0/0/5 g0/0/6
[S1-port-group-1]port link-type trunk 
[S1-port-group-1]port trunk allow-pass vlan 10 20
[S2]vlan batch 10 20
[S2]port-group 1
[S2-port-group-1]group-member g0/0/5 g0/0/6
[S2-port-group-1]port link-type trunk 
[S2-port-group-1]port trunk allow-pass vlan 10 20
[S3]vlan batch 10 20
[S3]port-group 1
[S3-port-group-1]group-member g0/0/5 g0/0/6
[S3-port-group-1]port link-type trunk 
[S3-port-group-1]port trunk allow-pass vlan 10 20
[S3]interface GigabitEthernet 0/0/1
[S3-GigabitEthernet0/0/1]port link-type access 
[S3-GigabitEthernet0/0/1]port default vlan 10
[S3]interface GigabitEthernet 0/0/2
[S3-GigabitEthernet0/0/2]port link-type access 
[S3-GigabitEthernet0/0/2]port default vlan 20
[S1]stp mode mstp 启用MSTP协议
[S1]stp region-configuration 创建MSTP区域
[S1-mst-region]region-name ntd定义区域名为ntd
[S1-mst-region]instance 1 vlan 10指定实例与vlan的对应关系
[S1-mst-region]instance 2 vlan 20
[S1-mst-region]active region-configuration激活区域配置
[S2]stp mode mstp 启用MSTP协议
[S2]stp region-configuration 创建MSTP区域
[S2-mst-region]region-name ntd定义区域名为ntd
[S2-mst-region]instance 1 vlan 10指定实例与vlan的对应关系
[S2-mst-region]instance 2 vlan 20
[S2-mst-region]active region-configuration激活区域配置
[S3]stp mode mstp 启用MSTP协议
[S3]stp region-configuration 创建MSTP区域
[S3-mst-region]region-name ntd定义区域名为ntd
[S3-mst-region]instance 1 vlan 10指定实例与vlan的对应关系
[S3-mst-region]instance 2 vlan 20
[S3-mst-region]active region-configuration激活区域配置
[S1]stp instance 1 priority 4096
[S2]stp instance 2 priority 4096
<S1>display stp instance 1 brief 
查看S1的instance 1 g0/0/5 g0/0/6都是指定接口
<S2>display stp instance 2 brief 
查看S2的instance 2 g0/0/5 g0/0/6都是指定接口

4 MSTP负载均衡二

4.1 问题

1）PC1属于 vlan 10 ，IP地址为 192.168.10.1/24，网关为 192.168.10.254

2）PC2属于 vlan 20 ，IP地址为 192.168.20.1/24，网关为 192.168.20.254

3）确保PC1与PC2互通

4）配置 MSTP ，SW1为 vlan10的主根、vlan20的次根，SW2为vlan10的主根、vlan10的次根

4.2 方案

使用eNSP搭建实验环境，如图-4所示。

图-4

4.3 步骤

实现此案例需要按照如下步骤进行。

[S1]VLAN batch 10 20
[S1]port-group 1
[S1-port-group-1]group-member G0/0/5 G0/0/6
[S1-port-group-1]port link-type trunk 
[S1-GigabitEthernet0/0/5]port trunk allow-pass vlan ALL
[S2]VLAN batch 10 20
[S2]port-group 1
[S2-port-group-1]group-member G0/0/5 G0/0/6
[S2-port-group-1]port link-type trunk 
[S2-GigabitEthernet0/0/5]port trunk allow-pass vlan ALL
[S3]VLAN batch 10 20
[S3]port-group 1
[S3-port-group-1]group-member G0/0/5 G0/0/6
[S3-port-group-1]port link-type trunk 
[S3-GigabitEthernet0/0/5]port trunk allow-pass vlan ALL
[S1]stp mode mstp 启用MSTP协议
[S1]stp region-configuration 创建区域
[S1-mst-region]region-name ntd 定义区域名为ntd
[S1-mst-region]instance 1 vlan 10 指定vlan与实例的对应关系
[S1-mst-region]instance 2 vlan 20
[S1-mst-region]active region-configuration 激活区域配置
[S2]stp mode mstp 启用MSTP协议
[S2]stp region-configuration 创建区域
[S2-mst-region]region-name ntd 定义区域名为ntd
[S2-mst-region]instance 1 vlan 10 指定vlan与实例的对应关系
[S2-mst-region]instance 2 vlan 20
[S2-mst-region]active region-configuration 激活区域配置
[S3]stp mode mstp 启用MSTP协议
[S3]stp region-configuration 创建区域
[S3-mst-region]region-name ntd 定义区域名为ntd
[S3-mst-region]instance 1 vlan 10 指定vlan与实例的对应关系
[S3-mst-region]instance 2 vlan 20
[S3-mst-region]active region-configuration 激活区域配置
[S1]stp instance 1 priority 0 
[S1]stp instance 2 priority 4096
[S2]stp instance 2 priority 0
[S2]stp instance 1 priority 4096
[S3]interface GigabitEthernet 0/0/1
[S3-GigabitEthernet0/0/1]port link-type access 
[S3-GigabitEthernet0/0/1]port default vlan 10
[S3]interface GigabitEthernet 0/0/2
[S3-GigabitEthernet0/0/2]port link-type access 
[S3-GigabitEthernet0/0/2]port default vlan 20
[S1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[S1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type access 
[S1-GigabitEthernet0/0/1]port default vlan 10
[S2]interface GigabitEthernet 0/0/2
[S2-GigabitEthernet0/0/2]port link-type access 
[S2-GigabitEthernet0/0/2]port default vlan 20
[R1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip address 192.168.10.254 24
[R1]interface GigabitEthernet 0/0/2
[R1-GigabitEthernet0/0/2]ip address 192.168.20.254 24
pc1 ping  pc2  通<S1>display stp instance 1 brief 
查看S1的instance 1 g0/0/5 g0/0/6都是指定接口
<S2>display stp instance 2 brief 
查看S2的instance 2 g0/0/5 g0/0/6都是指定接口