10交换环路解决方案.doc

教师备课纸
苏州工业职业技术学院
Suzhou Institute Of Industrial Technology
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教师备课纸
苏州工业职业技术学院
Suzhou Institute Of Industrial Technology
课　　题
交换环路解决方案
课　　型
讲练
授课班级
网络09C1、网络09D1
授课时数
2
教学目标

教学重点

教学难点

学情分析

教学效果

教 后 记

交换环路解决方案（STP）
一、交换环路产生原因
先回想一下交换机（也成透明网桥）转发数据帧的操作：交换机在转发数据帧时，尽管它能够按照MAC地址表进行正确的转发，但它没有记录任何关于该数据帧的转发记录。所以由于某种原因（如网路环路），交换机再次接收到该数据帧时，它仍然毫无记录的将数据帧按照MAC地址表转发到指定端口。特别是在遇到广播报文时，更容易在存在环路的网路形成风暴。
以下图所示拓扑结构中数据的转发为例。
A
LAN1
LAN2
B1
B2
B3

上图是一个存在环路的局域网络，假设B1、B2和B3都还没有学习到A的MAC地址，因为A还没有发送过任何数据。当A发送了一个数据帧，最初三个网桥都接收了这个数据帧，记录A的地址在LAN1上，并排队等待将这个数据帧转发到LAN2上。其中的一个网桥将首先成功的发送数据帧到LAN2上，假设这个网桥是B1，那么B2和B3将再次收到这个数据帧，因为B1对B2和B3来说是透明的。这个数据帧就好像是A在LAN2上发送的一样。于是B2和B3记录A在LAN2上，排队等待将这个新接收到的数据帧转发到LAN1上，假设这时B2成功将最初的数据帧转发到LAN2上，那么B1和B3都接收到这个数据帧，并排队等待转发这个数据帧到LAN1上。如此反复，数据帧就在环路中不断循环，更糟糕的是每次成功的转发都会导致网络中出现两个新的数据帧，从而形成严重的广播风暴。
二、交换环路解决方案
如果网络不存在物力上的环路，就不会有上述问题存在。然而，当网络结构复杂时，要保证网络没有任何环路是很困难的，并且在许多可靠性要求高的网络中，为了保证不间断的网络服务，需要采用物理环路的冗余备份。因此，保证网络不存在环路是不现实的。
IEEE提出了一个很好的解决办法，那就是802.1D协议标准规定的STP（Spanning Tree Protocol），它是生成树协议的英文缩写。该协议可应用于环路网络，通过一定的算法实现路径冗余，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。
STP的全称是spanning-tree protocol，STP协议是一个二层的链路管理协议，它在提供链路冗余的同时防止网络产生环路，与VLAN配合可以提供链路负载均衡。生成树协议现已经发展为多生成树协议和快速生成树协议。
三、STP原理
STP 通过以下方式来防止交换环路：
¨ 强制特定接口进入待命或阻塞状态
¨ 保留其它接口处于转发状态
¨ 在现有转发路径失效时，通过启用适当的待命路径来重新配置网络
1、STP基本原理
STP的基本原理是，通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文BPDU（在IEEE 802.1D中这种协议报文被称为“配置消息”）来确定网络的拓扑结构。配置消息中包含了足够的信息来保证交换机完成生成树计算。
配置消息中主要包括以下内容：
(1) 根网桥的ID（RootID）：由树根的优先级和MAC地址组合而成；
(2) 到根网桥的最小路径开销（RootPathCost）：最短路径上所有链路开销的代数和；
(3) 指定网桥的ID（TransmittingBridgeID）：由指定交换机的优先级和MAC地址组合而成；
(4) 指定端口的ID（TransmittingPortID）：由指定端口的优先级和端口编号组成；
对一台交换机而言，指定网桥就是与本机直接相连并且负责向本机转发数据包的交换机，指定端口就是指定网桥向本机转发数据的端口；对于一个局域网而言，指定网桥就是负责向这个网段转发数据包的交换机，指定端口就是指定网桥向这个网段转发数据的端口。
最初，所有网桥都发送以自己为根网桥的配置消息，即（RootID，RootPathCost，TransmittingBridgeID，TransmittingPortID）。网桥将收到的配置消息和自己的配置消息进行优先级比较，保留优先级较高的配置消息，并据此来完成生成树的计算。
配置消息的处理：
当网桥接收到来至邻居的配置消息后，需要比较他们的优先级，然后更新自己的配置消息在发送出去。那么如何确定配置消息的优先级呢？下面来讨论网桥如何比较配置消息的优先级，如何形成自己的配置消息的优先级。
网桥采取如下原则进行配置消息优先级的比较，从而确定最优配置消息：
l 确定RootID：取最优配置消息的RootID做为新的配置消息的RootID；
l 确定网桥的根端口：如果自己是根网桥，则根端口是0，否则比较端口的RootPathCost，端口的RootPathCost=配置消息中的RootPathCost+接受该配置消息的端口开销，RootPathCost值小的端口为根端口。
l 确定网桥的RootPathCost，如果自己是根网桥，则RootPathCost为0，否则为最优配置消息的RootPathCost与根端口的端口开销之和。
l 确定网桥的TransmittingPortID：TransmittingPortID就是自己
2、交换机端口状态
打开交换机电源时，交换机的每个端口都会经过四种状态：阻塞、侦听、学习和转发。第 5 种状态“禁用”则表示管理员已关闭该交换机端口。
当交换机经过这些状态时，交换机上的 LED 会从闪烁橙色变成稳定的绿色。端口经过所有这些状态进入转发就绪状态大约需要 50 秒。
交换机打开时，首先进入阻塞状态，以便第一时间阻止环路的形成。然后更改到侦听模式，接收来自邻居交换机的 BPDU。处理完这一信息后，交换机便能确定哪些端口可以转发帧且不会产生环路。可以转发帧的端口将更改到学习模式，然后进入转发模式。
接入端口不会在交换网络中造成环路，而且在连接有主机时此类端口会始终进入转发状态。中继端口有可能造成网络环路，可转入转发状态或阻塞状态。
四、STP配置实例

图1：拓扑图
两台Cisco 2960交换机使用两个千兆端口相连，默认情况下STP协议启用的。通过两台交换机之间传送BPDU协议数据单元，选出根交换机、根端口等，以便确定端口的转发状态。上图中标记为黄色的端口处于block状态。
二、STP基本配置命令
1、修改Brigde ID，重新选根网桥
switch(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096

图2 根网桥改变，交换机端口的状态也发生了变化（与图1比较）
switch(config-if)spanning-tree vlan vlan-id port-priority 优先级值　交换机端口优先级值修改命令,通过修改端口优先值也可以更改端口的转发状态。
2、查看、检验STP（生成树协议）配置
switch#show spanning-tree
switch#show spanning-tree active
switch#show spanning-tree detail
switch#show spanning-tree interface fa 0/1
switch#show spanning-tree vlan 1
三、STP与VLAN负载均衡配置

图3
配置负载均衡后，每个VLAN有自己的根网桥。每条vlan中继链路只转发所允许的Vlan数据帧。
switch(config-if)switchport trunk allowed vlan vlanid
这条命令配置某条trunk中继链路只能转发该vlan
switch(config)#spanning-tree vlan 1 root primary
该命令配置某个vlan的根网桥。利用这个命令可以使用Vlan利用VTP进行负载均衡。

作业：
1、 简要描述STP解决了什么样的问题？
2、 在 STP协议中，为了选择交换机的根端口，可能需要哪些参数？