交换机生成树协议

2010级毕业设计(论文) 交换机生成树协议

院系：信息工程系专业：网络技术学生姓名：谢高云指导教师：王浦衡

湖南化工职业技术学院

2013年 5 月

摘要

生成树协议（Spanning Tree Protocol STP）是用于局域网中消除数据链路层物理环路的协议。运行该协议的交换机通过彼此交互报文发现网络中的环路并有选择性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达到消除二层环路的目的。STP的缺点是收敛速度慢为解决这一缺陷RSTP应运而生。快速生成树协（Rapid Spanning Tree Protocol RSTP）在STP的基础上缩短了转发延时可以快速收敛但是和STP一样局域网内所有交换机共享一棵生成树不能解决链路负载分担的问题多生成树协议（Multiple Spanning Tree Protocol MSTP）可以弥补这一缺陷它既可以快速收敛也能使不同VLAN的流量沿各自的路径转发从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。本论文论述了STP RSTP和MSTP的产生背景和发展基本概念和原理 以及它们各自的缺陷并针对这些问题提出了自己的见解。

关键词：生成树协议、快速生成树协议、虚拟局域网、多生成树协议。

ABSTRACT

Spanning Tree Protocol (Spanning Tree Protocol STP) is used for LAN data link layer to eliminate the physical loops in the agreement. Switch by running the protocol packets that the network interact with each other in the loop, and selectively blocking certain ports, and ultimately into the loop network loop-free tree pruning the network structure, to achieve the elimination of two layer loop purposes. STP drawback is slow convergence, to address this shortcoming, RSTP came into being. RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol RSTP) in the STP, based on the forwarding delay can be shortened fast convergence, however, and STP, as all the switches share 、a LAN spanning tree, load-sharing link can not solve the problem of MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol Multiple Spanning Tree Protocol) can fill this gap, both for fast convergence, but also make different VLAN traffic along their path forward, so as to redundant links to provide a better load-sharing mechanism. This paper discusses the background and development of the STP, RSTP and MSTP, basic concepts and principles, and their respective deficiencies and address these issues put forward their own views.

Keyword：Spanning Tree Protocol、Rapid Spanning Tree Protocol、VLAN、Multiple Spanning Tree Protocol

前言

在实际的交换网络中,为了提高整个网络的可靠性、消除单点失效故障,通常在网络设计中采用多台设备、多个端口、多条线路的冗余连接方式。但是这样的拓扑结构会导致二层环路的产生。如果交换机不对二层环路做处理，将会导致严重的网络问题。如：广播风暴、帧的重复复制、交换机的MAC地址漂移等问题。生成树协议就是为了解决二层环路而产生的。STP能够自动发现冗余网络拓扑中的环路，保留一条最佳链路做转发链路，阻塞其他冗余链路，并且在网络拓扑结构发生变化的情况下重新计算，保证所有的网段的可达且无环路。STP协议和其它网络协议一样，是随着网络的不断发展而不断更新换代的。最初被广泛应用的是IEEE802.1d版本，随后又出现了IEEE802.1w RSTP协议和IEEE802.1s MSTP协议。RSTP协议提供了端口状态的快速转换功能，使网络拓扑的收敛时间大大减少。MSTP协议在RSTP协议的基础上引入了域和实例的概念。首先将网络中不同的桥设备及其VLAN划分为不同的域，在域内设定各个VLAN到生成树实例的映射关系，这样既提供了快速收敛能力，同时也在域内对网络冗余的网络带宽进行了有效应用。MSTP具有LV AN认知能力：可以实现负载均衡，实现类似RSTP的端口状态快速切换，可以捆绑多个VLAN到一个实例中以降低资源占用率，可以很好的兼容STP/RSTP协议。因此 MSTP协议能够成为当今生成树发展的一致方向是当之无愧的。然而，随着应用的深入，各种新的二层隧道技术不断涌现。例如Cisco的802.1q Tunneling。今后生成树协议该如何发展，又需要我们积极的去探索研究了。

第1章以太网交换机

1.1以太网发展历史及现状

以太网是在70年代由Xerox公司Palo Alto研究中心推出的。由于介质技术的发展，Xerox可以将许多机器相互连接，形成巨型打印机，这就是以太网的原型。后来，Xerox 公司推出了带宽为2Mb/s的以太网，又和Intel和DEC公司合作推出了带宽为10Mb/s的以太网，这就是通常所称的以太网Ⅱ或以太网DIX Digital Intel和Xerox。IEEE电器和电子工程师协会（下属的802协委员会）制定了一系列局域网标准，其中以太网标准。IEEE 802.3与由Intel、Digital 和Xerox推出的以太网Ⅱ非常相似。随着以太网技术的不断进步与带宽的提升，目前在很多情况下以太网成为了局域网的代名词。

2.2传统以太网

以太网使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）带有冲突监测的载波侦听多址访问。首先,以太网网段上需要进行数据传送的节点对导线进行监听，这个过程称为CSMA/CD的载波侦听。如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号。因为，这时导线上的电压超出了标准电压。冲突产生后，这两个节点都将立即发出拥塞信号、以确保每个工作站都检测到这时以太网上已产生冲突然后网络进行恢复在恢复的过程中导线上将不传送数据。当两个节点将拥塞信号传送完并过了一段随机时间后这两个节点便开始启动随机计时器。第一个随机计时器到期的工作站将首先对导线进行监听 当它监听到没有任何信息在传输时便开始传输数据。当第二个工作站随机计时器到期后 也对导线进行监听当监听到第一个工作站已经开始传输数据后就只好等待了。在以太网交换机 2.1 以太网发展历史及现状CSMA/CD 方式下在一个时间段只有一个节点能够在导线上传送数据。如果其他节点想传送数据必须等到正在传输的节点的数据传送结束后才能开始传输数据。以太网之所以称作共享介质就是因为节点共享同一传输介质这一事实。

1.2透明桥工作原理

在网络发展初期，透明网桥是一个不得不提的重要角色。它比只会放大和广播信号的HUB聪明的多。它会悄悄把发向它的数据帧的源MAC和端口记录下来下次碰到这个目的MAC的报文就只从记录中的端口号发送出去除非目的的MAC没有记录或者目的的MAC 就是多播地址才会向所有端口发送通过透明网桥不同的局域网之间可以互通而且由于具备MAC地址学习功能而不会像HUB那样造成网络报文冲撞泛滥。

1.3传统以太网与交换式以太网

HUB(集线器)只对信号做简单的再生与放大，所有设备共享一个传输介质。设备必须

遵循CSMA/CD方式进行通讯。使用HUB连接的传统共享式以太网中所有工作站处于同一个冲突域和同一个广播域之中。交换机根据MAC地址转发或过滤数据帧隔离了冲突域工作在数据链路层。所以交换机每个端口都是单独的冲突域。如果工作站直接连接到交换机的端口，此工作站独享带宽。但是由于交换机对目的地址为广播的数据帧做洪泛的操作广播帧会被转发到所有端口。所以所有通过交换机连接的工作站都处于同一个广播域之中。

第2章生成树协议STP

2.1STP协议基本原理

STP协议的基本原理非常简单，自然界生长的树是不会出现环路的。如果网络也能够像一棵树一样的生长就不会出现环路。因此STP协议中定义了根桥(Root Bridge)、根端口(Root Port)、指定端口(Designated Port)、路径开销(Path Cost)等概念目的就在于通过构造一棵自然树的方法达到剪裁冗余环路的目的同时实现链路备份和路径最优化。为了实现这些功能交换机之间就必须进行一些信息交流这些信息交流单元成为配置消息BPDU(Bridge Protocol Data Unit)STP BPDU为二层报文数据区携带了用于生成树计算的所有有用信息所有支持STP协议的交换机都会接收并处理收到的BPDU报文。用于构造这棵树的算法称为生成树算法SPA(Spanning Tree Algorithm)STP的基本思想是生成“一棵树”树的根是称为根桥的交换机根据桥ID不同较优的交换机被选为根桥任意时刻只能有一个根桥。由根桥开始逐级形成一棵树根桥定时发送配置消息非根桥接收配置报文并转发如果某台交换机能够从两个以上的端口收到配置报文则说明从该交换机到根有不止一条路径便构成了循环回路从此交换机根据端口的配置选出一个端口并把其他的端口阻塞消除循环。当某个端口长时间不能接收到配置报文的时候交换机认为端口的配置超时网络拓扑可能已经改变此时重新计算网络拓扑重新生成一棵树。

2.2 STP基本概念

1．跟桥Root Bridge树形的网络结构必须要有树根于是STP引入了跟桥的概念。根桥在全网中只有一个而且根桥会根据网络拓扑的变化而改变因此根桥并不是固定的。网络收敛后根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU其他的设备对该配置BPDU进行转发从而保证拓扑的稳定。

2．根端口Root Port所谓根端口是指一个非根桥的设备上离根桥最近的端口。根端口负责与根桥进行通信。非根桥设备上有且只有一个根端口根桥上没有根端口。

3．指定桥Designated Bridge与指定端口Designated Port

1)对于一台设备而言：指定桥是与交换机直接相连并且负责向交换机转发BPDU报文的设备 指定端口为指定桥向本机转发BPDU报文的端口。

2)对于一个局域网而言：指定桥是负责向本网段转发BPDU报文的设备指定端口为指定桥向本网段转发BPDU报文的端口。

4．路径开销（Path Cost）路径开销是STP协议用于选择链路的参考值。STP协议通过计算路径开销选择较为“强壮”的链路阻塞多余的链路将网络修剪成无环路的树型网络结构。