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STP生成树协议原理与算法简析
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2013-03-06
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STP生成树协议原理与算法简析,STP生成树协议工作原理简单描述分析,并对算法做了距离说明。
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STP 生成树协议原理与算法简析
简介
在实际的网络环境中,物理环路可以提高网络的可靠性,当一条线路断掉的时候,另
一条链路仍然可以传输数据。但是,在交换网络中,当交换机接收到一个未知目的地址的
数据帧时,交换机的操作是将这个数据帧广播出去,这样,在存在物理的交换网络中,就
会产生一个双向的广播环,甚至产生广播风暴,导致交换机死机。这就产生一个矛盾,需
要物理环路来提高网络可靠性,而环路又可能产生广播风暴,如何才能两全其美呢?
本章将要讲述的 STP,就是用来解决这个矛盾的。STP(Spanning Tree Protocol,生成树
协议)是根据 IEEE 802.1D 标准建立的,用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。
运行该协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路,并有选择的对某些端口进行阻塞
最终将环路网络结构修剪成无环路的树型网络结构,从而防止报文在环路网络中不断增生
和无限循环,避免设备由于重复接收相同的报文所造成的报文处理能力下降的问题发生。
STP 采用的协议报文是 BPDU(Bridge Protocol Data Unit,桥协议数据单元),也称为配
置消息,BPDU 中包含了足够的信息来保证设备完成生成树的计算过程。STP 即是通过在设
备之间传递 BPDU 来确定网络的拓扑结构。
1 STP 生成树协议
1.1 STP 的主要作用
消除环路:通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的路径回环。
链路备份:当前活动路径发生故障时,激活冗余备份链路,恢复网络连通性。
1.2 STP 的基本原理:
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。(注:此 BPDU 被称为配置 BPDU,另外 STP 还有 TCN BPDU。)
图1 BPDU 的报文格式
注意看 BPDU 数据报文的最后 8 个字段,分别是:
根桥 ID:由树根的优先级(0-65535,默认 32768)和 MAC 地址组合而成;
到树根的最短路径开销(实际由 PortPathCost 叠加而成),有两个标准——dot1d-1998,默认
值为 100 和 dot1t,默认值为 200000;
指定桥的 ID:由指定交换机的优先级和 MAC 地址组合而成;
指定端口的 ID:由指定端口的优先级(0-256,默认 128)和端口编号组成;
配置消息的生存期:MessageAge;
DMA SMA L/T LLC Header payload
0x0180c2000000 0x424203 BPDU数据报文
字节
2
协议版本 1
1
标志位
1
8
4
8
2
2
Max Age
2
2
2
目的MAC地址
是一个固定的
组播地址
源MAC地址
是发送配置
消息的桥的
MAC地址。
配置消息固定
的链路头
帧长
域值
协议ID
BPDU类型
根桥ID
最短路径开销
指定桥ID
指定端口ID
Hello Time
Forward Delay
Message Age
DMA SMA L/T LLC Header payload
0x0180c2000000 0x424203 BPDU数据报文
字节
2
协议版本 1
1
标志位
1
8
4
8
2
2
Max Age
2
2
2
目的MAC地址
是一个固定的
组播地址
源MAC地址
是发送配置
消息的桥的
MAC地址。
配置消息固定
的链路头
帧长
域值
协议ID
BPDU类型
根桥ID
最短路径开销
指定桥ID
指定端口ID
Hello Time
Forward Delay
Message Age
配置消息的最大生存期:MaxAge;
配置消息发送的周期:HelloTime;
端口状态迁移的延时:ForwardDelay。
启动了 STP 的交换机互相之间通过发送配置 BPDU 来完成根桥,指定桥的选举,各端口状
态的选择和整个网络拓扑结构的确定。比较的关键部分在于这八个字段中的前四个字段,
即:根桥 ID、路径开销、指定桥 ID 和指定端口的 ID。其实还有一个接收端口的 ID,用于本
地比较(当交换机的 2 个端口都收到相同的 BPDU 时——比如上连一个 stp disable 的交换机
或 hub)。比较的原则:从上到下、从左到右数值小者优先。
STP 协议使用的所有 BPDU 都是组播报文,目的 MAC 是 01-80-c2-00-00-00。
1.3 STP 端口的角色和状态
STP 拓扑结构的建立微观上说是一个全网交换机互相交互的过程,各台交换机相互之间不
停的发送配置 BPDU,发送和接受 BPDU 的是各 switch 的 Ports,BPDU 不单在不同交换机的
端口之间比较,也在交换机的内部作比较,如果发现比自己“优”的 BPDU,就进行报文的更
新,如果发现对方传来的 BPDU 不如自己的,则丢弃报文,直到再收不到比自己更优的
BPDU 为止。当网络中所有的交换机都处于这种状态的时候我们可以认为拓扑结构已经建立,
但根端口和指定端口还得经过 2 个 Forward Delay Time 才能进入转发状态。所以 STP 拓扑结
构的建立实际上可以理解为端口角色的建立,所有端口都为指定端口的交换机被选为根桥
其余的为指定桥。
这里要提到 5 个概念:根桥,指定桥,根端口,指定端口,Block 端口。
根桥就是“网桥 ID”最优的桥,当 STP 的拓扑结构稳定之后由根桥负责每 2 秒(Hello
Time)向树中所有的网桥发送配置 BPDU 报文,其他网桥接收并转发。
根端口即去往根桥路径最近的端口,这个最近的衡量是靠 Root Path Cost 来判定的。有
关 Path Cost 的计算,是每当一个端口收到一个 BPDU 后,会在该 BPDU 所指示的 Path
Cost 上加上该端口的 Port Path Cost(这是可以人为配置的)。比较累计 Root Path
Cost 最小的端口就是根端口,如果有两条开销相同的路径,那么就选择桥 BID 较小的。
指定桥就是对下游来说向它转发 BPDU 报文的桥,一个 LAN 上除了根桥以外的所有网桥都
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资源评论
- zhuye10072017-10-29很好,谢谢分享
- mrwangwang2017-05-01不错,多谢分享
shanzhizi
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