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

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）

在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

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

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

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

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
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
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

练习

选举根交换机
理解STP工作原理
MSTP负载均衡一
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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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