生成树协议概述
生成树协议工作机制
如果引入环路,以太网网络容易遭受广播风暴。但是,以太网网络需要包含环路,因为它们在链路故障时提供冗余路径。生成树协议解决了这两个问题,因为它们提供链路冗余,同时防止不需要的环路。
瞻博网络设备通过生成树协议 (STP)、快速生成树协议 (RSTP)、多生成树协议 (MSTP) 和 VLAN 生成树协议 (VSTP) 提供第 2 层环路防护。RSTP 是防止以太网网络上出现环路的默认生成树协议。
本主题将介绍:
- 使用生成树协议的好处
- 生成树协议帮助防止广播风暴
- 端口角色 确定参与生成树
- 端口状态 确定端口如何处理帧
- 边缘端口连接到不能作为生成树一部分的设备
- BPUS 维护生成树
- 当根网桥发生故障时
- 链路故障后,设备必须重新学习 MAC 地址
使用生成树协议的好处
生成树协议具有以下好处:
提供链路冗余,同时防止不需要的环路
防范广播风暴
使用边缘端口连接到无法支持 STP 的设备,例如未连接到其他交换机的 PC、服务器、路由器或集线器
生成树协议帮助防止广播风暴
生成树协议通过创建整个桥接网络的树拓扑(生成树),在树根和叶之间仅包含一条可用路径,智能地避免网络环路。所有其他路径均强制进入待机状态。树 根 是由 STA(生成树算法)选择的网络内的交换机,当计算整个网络和根网桥之间的最佳路径时,可使用该交换机。帧沿网络传输至其 目标(最终用户 PC 等叶节点)。树 分支 是网桥之间的网段或链路。通过 STP 生成树转发帧的交换机称为 指定网桥。
端口角色 确定参与生成树
每个端口都有一个角色和一个状态。端口的角色 决定了 它如何参与生成树。RSTP 中使用的五个端口角色包括:
根端口 — 最靠近根网桥的端口(具有从网桥的最低路径成本)。这是从根网桥接收帧和将帧转发至根网桥的唯一端口。
指定端口 - 将来自根网桥的流量转发至叶的端口。指定网桥为所服务的每一个链路连接都有一个指定端口。根网桥转发其所有端口(用作指定端口)的帧。
备用端口 — 当根端口出现故障并处于丢弃状态时,该端口可提供通往根网桥的备用路径。此端口不是活动生成树的一部分,但是,如果根端口发生故障,备用端口将立即接管。
备份端口 — 当指定端口出现故障并处于丢弃状态时,为生成树叶提供备用路径的端口。只有两个或多个桥接端口连接到作为指定网桥的同一 LAN 时,备份端口才能存在。指定端口的备份端口在端口出现故障时立即接管。
禁用端口 - 端口不是活动生成树的一部分。
端口状态 确定端口如何处理帧
每个端口都有一个状态和一个角色。端口的状态 决定了 它如何处理帧。RSTP 将指定网桥的每个端口以三种状态之一进行:
丢弃 - 端口丢弃所有 BPDUS。此状态中的端口将丢弃其接收的所有帧,不学习 MAC 地址。
学习 - 通过检查收到的帧获取位置信息,端口准备转发信息流,以便构建其MAC 地址表。
转发 — 端口过滤和转发帧。转发状态中的端口是活动生成树的一部分。
边缘端口连接到不能作为生成树一部分的设备
生成树还定义了边缘端口的概念,边缘端口是连接到不支持 STP 的设备(如未连接到其他交换机的 PC、服务器、路由器或集线器)的指定端口。由于边缘端口直接连接到终端站,因此它们无法创建网络环路,因此可立即过渡到转发状态。您可以手动配置边缘端口,而交换机还可通过发现终端站没有通信来检测边缘端口。
边缘端口本身会将 BPUS 发送到生成树。如果您很了解对网络的影响,并且想要修改边缘端口接口上的 RSTP。
BPUS 维护生成树
生成树协议使用称为桥接协议数据单元 (BPUS) 的帧来创建和维护生成树。BPDU 帧是一种从交换机发送至另一个交换机的消息,用于传达关于自身的信息,例如其桥接 ID、根路径成本和端口 MAC 地址。交换机之间的 BPDUS 初始交换确定根网桥。同时,BPDUS 用于通信分支机构设备之间的每个链路成本,这基于端口速度或用户配置。RSTP 使用此路径成本确定数据帧从一个叶节点到另一个叶传输的理想路由,然后阻止所有其他路由。如果边缘端口收到 BPDU,它将自动过渡到常规 RSTP 端口。
当网络处于稳定状态时,生成树在生成树算法 (STA) 识别根网桥和指定网桥且所有端口均处于转发或阻塞状态时融合。要维护树,根网桥将继续以发送时间间隔(默认 2 秒)发送 BPUS。这些 BPDUS 将继续通信当前树拓扑。当端口收到 hello BPDU 时,会将信息与已存储在接收端口的信息进行比较。交换机收到 BPDU 时,执行三种操作之一:
如果 BPDU 数据与 MAC 地址 表中的现有条目匹配,端口将调用最大年龄的计时器重置为零,然后将具有当前活动拓扑信息的新 BPDU 转发至生成树中的下一个端口。
如果 BPDU 中的拓扑已更改,则信息在 MAC 地址 表中更新,将最大时间再次设置为零,并且新 BPDU 会使用当前活动拓扑信息转发至生成树中的下一个端口。
当端口连续三次接收 BPDU 时,会以两种方式之一做出反应。如果端口是根端口,将完成生成树的返工 — 请参阅 RSTP 根网桥发生故障时 。如果网桥是任何非根网桥,RSTP 会检测连接的设备无法发送 BPUS 并将该端口转换为边缘端口。
当根网桥发生故障时
当根端口的链路关闭时,将向 BPDU 添加一个称为拓扑更改通知 (TCN) 的标记。当此 BPDU 到达 VLAN 中的下一个端口时,MAC 地址表将被清除,并且 BPDU 会发送至下一个网桥。最终,VLAN 中所有端口已清除其MAC 地址表。然后,RSTP 配置一个新的根端口。
根端口或指定端口发生故障后,替代端口或备份端口在交换称为提议协议握手的 BPDUS 之后接管。RSTP 通过点到点链路传播这种握手,这是两个网络节点之间的专用链路,或者用于将一个端口连接到另一个端口的交换机。如果本地端口成为新的根或指定端口,则使用提议协议握手确保无环路拓扑,与最近的邻接交换机上的接收端口协商快速过渡。
链路故障后,设备必须重新学习 MAC 地址
由于链路故障会导致所有关联端口齐MAC 地址表,因此网络可能因为泛滥而重新学习 MAC 地址,因此速度可能会减慢。有一种方法可以加速此再学习过程。在 TCN 传播期间,交换机第 2 层转用表被齐平,导致数据包泛滥。地址解析协议 (ARP) 功能会导致交换机主动向 ARP 缓存中的 IP 地址发送 ARP 请求(由于第 3 层 VLAN 接口存在)。在启用 STP 上的 ARP 后,根据回复,交换机会构建第 2 层转转发表,从而限制以后的泛洪。在 STP 上启用 ARP 对于防止使用 RV 的大型 2 层网络中出现过大泛洪非常有用。
对于支持增强型第 2 层软件 (ELS) 配置样式的 EX 系列交换机Junos OS上不可用 ARP 功能。
另请参阅
选择生成树协议
选择生成树协议时,请考虑两个基本问题:
我需要哪些 STP 功能?
将采用什么交换机或路由器?
生成树功能比较
表 1 说明了生成树协议 STP、RSTP、MSTP 和 VSTP 之间的差异。
协议 | 优势 | 劣势 |
---|---|---|
RSTP |
|
|
提示:
使用 .
提示:
如果 RSTP 已强制作为原始 STP 版本运行,您可以通过从强制 IEEE 802.1D STP 恢复到 RSTP 或 VSTP。 |
||
Stp |
|
|
提示:
使用 |
||
MSTP |
|
|
提示:
使用 |
||
VSTP |
|
|
提示:
使用 VSTP 时,建议在所有可接收 VSTP 桥接协议数据单元 (BPUS) 的 VLA 上启用 VSTP。
提示:
使用 命令配置 VSTP 时,未设置 VLAN ID 1;不会进行配置,以便配置与
提示:
交换机上 VSTP 支持的最大 VLAN 数取决于是为 EX 系列和 QFX 系列 交换机使用支持增强型第 2 层软件 (ELS) 配置样式的 Junos OS,还是使用不支持 ELS 的 Junos OS。 您可以在同瞻博网络使用带 PVST+ 和 Rapid-PVST+ 的 VSTP 和 Cisco 交换机的交换机。Cisco 支持专用 Per-VLAN 生成树 (PVST) 协议,该协议按每个 VLAN 维护单独的生成树实例。每个 VLAN 一个生成树允许细粒度负载平衡,但随着 VLAN 数量的增加,需要更多的 BPDU CPU 处理。PVST 在 Cisco 专有 ISL 中继上运行,瞻博网络。瞻博网络交换机仅与 PVST+ 和 Rapid-PVST+ 互操作。 |
生成树协议均生成自己的 BPDUS。在 PC 上运行的用户桥接应用程序还可以生成 BPUS。如果在交换机上运行的 STP 应用程序挑选出这些 BPDUS,它们可能会触发 STP 错误仿真,这些错误集成可能导致网络中断。请参阅 在生成树接口上配置 BPDU 保护。
如果为任何生成树协议(STP、MSTP、RSTP 和 VSTP)配置接口,则 当使用家族选项配置接口时,将不可用 、 和 选项。 interface all
vlan all
vlan-group
flexible-vlan-tagging
交换机和路由器生成树支持和限制
并非所有交换机和路由器都支持完全相同的功能和配置。表 2中列出了已知差异。
路由器或交换机 |
考虑 |
---|---|
MX 系列路由器 |
只有 MX 系列路由器才能使用虚拟交换机路由实例类型来隔离 LAN 分段及其生成树实例并分离其 VLAN ID 空间。请参阅 在 MX 系列路由器上配置 虚拟交换机路由实例 通过全局追踪选项语句在 ACX 和 MX 路由器上提供追踪和全局追踪 — 请参阅了解生成树协议追踪选项。 从版本14.1R1开始,MX 系列路由器支持这些 STP 日志增强功能:
在 MX 和 ACX 路由器上,您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口,与原始 STP 版本相比,融合速度更快。边缘端口直接转换为转发状态,因此协议无需等待在边缘端口上接收 BPDUS。 在提供商网络中运行 RSTP 或 MSTP 的 MX 系列路由器上,您可以允许提供商网桥参与 RSTP 或 MSTP 实例 —请参阅 了解提供商网桥 参与 RSTP或 MSTP 实例。 |
提示:
对于 MX 系列和 M Series 路由器上的 802.1ad 提供商桥接网络(堆叠 V VPN),单标记接入端口和双标记中继端口可在单一生成树环境中共存。在此模式下,VLAN 生成树协议 (VSTP) 可以在千兆位以太网 (ge)、10 千兆位以太网 (xe) 和聚合以太网 (ae) 接口上发送和接收未标记的快速生成树协议 (RSTP) 桥接协议数据单元 (BPUS)。未标记 RSTP BPUS 与通过双标记中继端口发送的标记 VSTP BPUS 互操作。双标记对于互联网服务提供商非常有用,允许他们内部使用 VLAN,同时混合来自已 VLAN 标记的客户端的流量。 |
|
ACX 系列路由器 |
在 MX 和 ACX 路由器上,您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口,与原始 STP 版本相比,融合速度更快。边缘端口直接转换为转发状态,因此协议无需等待在边缘端口上接收 BPDUS。 通过全局追踪选项语句在 ACX 和 MX 路由器上提供追踪和全局追踪 — 请参阅了解生成树协议追踪选项。 |
QFX 系列交换机 |
请参阅 配置 STP。 如果您的网络包括 IEEE 802.1D 1998 网桥,请卸下 RSTP 并显式配置 STP—请参阅 强制 RSTP 或 VSTP 作为 IEEE 802.1D STP 运行(CLI 过程)。显式配置 STP 时,QFX 系列产品使用 IEEE 802.1D 2004 规范,强制版本 0。此配置运行与典型基本 STP 兼容的 RSTP 版本。如果您使用虚拟 VPN (VNS),可在网络上启用 VSTP。 为网络网络提供的 STP QFX 系列包括:
使用网络侧的快速生成树协议 (RSTP)QFX 系列生成树协议 (STP) 提供的融合时间更快。RSTP 将某些链路识别为点到点。当点到点链路出现故障时,备用链路可转换为转发状态,从而加速融合。 接口可配置为 root 保护或环路保护,但不能二者同时配置。 在运行支持 ELS Junos OS 的 EX 系列(EX9200 除外)和 QFX 系列 交换机上,VSTP 可支持多达 510 个 VLAN。 如果您的 EX 系列或 QFX 系列 交换机与运行 Rapid per VLAN 生成树 (快速 PVST+) 的 Cisco 设备互操作,我们建议在 EX 系列或 QFX 系列 接口上启用 VSTP 和 RSTP。 |
EX 系列交换机 |
|
提示:
EX 系列交换机在 VSTP 上最多可以有 253 个 VLAN。因此,要拥有尽可能多的生成树协议 VLAN,请同时使用 VSTP 和 RSTP。然后,RSTP 将应用于超过 VSTP 限制的 V VPN。由于 RSTP 默认启用,因此您只需要额外启用 VSTP。 |
|
QFabric |
虽然无需在 QFabric 系统中运行 STP,但您可以将 QFabric 系统连接到另一个第 2 层设备并使用 STP。STP 流量只能在网络节点组上处理。其他节点组(如冗余服务器节点组和服务器节点组)丢弃 STP 桥接协议数据单元 (BPUS) 流量并自动禁用接口。服务器节点组仅处理面向主机的协议,而网络节点组则处理所有受支持的协议。 |
SRX 系列设备 |
|