第3章

交换机工作原理



第1章详细介绍了TCP/IP，按由下往上的顺序协议栈5层分别是： 物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。物理层基本上是物理网卡，在实际工作中需要配置的地方不多。
需要配置的网络设备绝大部分位于链路层和网络层，因此下面将重点介绍链路层、网络层相关的协议。
本章介绍链路层相关的内容，包括交换机工作原理、VLAN原理、STP原理、RSTP&MSTP原理等4个部分。
3.1交换机工作原理
工作于链路层的网络设备有Hub、网桥、交换机，其中Hub、网桥目前已基本不用，被交换机所替代。出于学习的目的，这里比较一下Hub和交换机的差异。Hub简单地将各个端口连在一起，如图3.1所示。


图3.1Hub设备工作原理


连在Hub上的设备共享冲突域，同一时间只能有一台设备发送数据，带宽受到很大限制。
与Hub相比，交换机就聪明多了，不同设备互相隔离，避免冲突。如图3.2所示，连在交换机SWA上的4台主机可以同时两两互相通信，主机A和主机B通信，主机C和主机D通信，互不影响。


图3.2交换机工作原理



那么，当主机A的数据发到SWA的时候，SWA怎么知道这个数据应该发给主机B，而不是主机C或者D呢？
如图3.3所示，SWA上有一张数据转发表，里面有MAC地址和接口的对应关系，主机A给SWA发以太网帧的时候，目标MAC地址填的是主机B的MAC地址，SWA根据收到的帧里面的目标MAC地址查表，得知这个以太网帧应该从G0/0/2转发出去，这样就可以正确送达主机B了。


图3.3交换机数据转发机制



那么这个MAC地址表是怎么来的？交换机刚上电的时候这个表是空的，如图3.4所示。


图3.4初始状态的MAC地址表


主机A、主机B、主机C在互相通信前，首先要做的就是获得对方的MAC地址。最开始的时候需要通过ARP协议获得MAC地址，例如主机A要获得主机C的MAC地址时，要先发送ARP请求，然后等待主机C回应该ARP请求。

交换机通过分析ARP报文来更新MAC地址表。注意MAC地址表的更新过程： 首先，交换机根据来自主机A的ARP请求在MAC地址表中添加主机A的信息，如图3.5（a）所示； 然后，交换机将该ARP请求转发给主机B和主机C，如图3.5（b）所示； 最后，交换机根据来自主机C的ARP回应在MAC地址表中添加主机C的信息，如图3.5（c）所示。

交换机获取MAC地址与接口的映射信息之后，就可以指导报文转发。如果主机和交换机的连接断开，例如图3.5（c）中主机C离开SWA，SWA检测到链路断开，会马上更新MAC地址表，删除主机C对应的表项。可以用display macaddress查询交换机MAC地址表的变化，如图3.6所示。


（a）  添加主机A信息

图3.5




（b）   转发ARP请求



（c）   添加主机C信息

图3.5(续)




图3.6MAC地址表查询

SWA已经删除了主机C对应的表项，此时主机A并不知道主机C已经离开，ARP缓存表里还有主机C对应的MAC地址，如果主机A ping主机C，SWA会怎么处理呢？
SWA收到主机A发来的报文，根据目标MAC查表时，发现找不到主机C对应的表项，这个情况对于SWA来说是未知单播。交换机对未知单播的处理方法是将其广播给各个端口。这里可以自己做实验验证一下。

还有一种MAC地址是广播MAC，交换机的处理方法也是发给各个端口，这个过程叫作泛洪。
前面介绍MAC地址的时候，还提到一种特殊MAC——组播MAC，组播MAC有一个专门的组播MAC地址表，交换机会根据这个表给对应组播成员精确转发。
另外还有一种特殊情况——丢弃，例如SWA接口Ethernet 0/0/0配置的VLAN是1，但是收到的帧携带的VLAN是2，这个帧就会被丢弃； 或者是帧已经进入交换机，但是不符合转发规则，也会被丢弃。
以上各种转发情况汇总如图3.7所示。


图3.7交换机转发规则


3.2VLAN原理与配置
3.2.1VLAN基本原理

交换机可以让不同的主机互相之间同时通信，但是不能隔离广播。在网络规模比较大的时候，广播报文会耗费很多网络资源，如图3.8所示，每一个广播报文都会发给所有的主机。


图3.8广播报文转发


为了避免全网广播问题，可以用VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)技术将一个物理的局域网在逻辑上划分成多个广播域。这样既能够隔离广播域，又能够提升网络的安全性，如图3.9所示。


图3.9VLAN基本概念


VLAN技术是如何实现的呢？或者说交换机如何知道哪个报文属于VLAN 1，哪个报文属于VLAN 2呢？实际上是通过VLAN标签识别的。如图3.10所示，这是前面介绍过的普通以太网帧。


图3.10普通以太网帧


携带VLAN标签的以太网帧是什么样的呢？如图3.11所示，VLAN标签总共4B，在S.MAC后面，Type前面。


图3.11带VLAN标签的帧


4B的VLAN标签前2B是TPID(Tag Protocol Identifier，标签协议标识)，华为设备取固定值0x8100，后面2B分3个部分，具体如下： 
PRI： Priority，优先级，3比特,可以表示的范围是0~7，用来标识帧的优先级，和IP头部的优先级类似，不同的是这个优先级用来指导交换机，IP头的优先级用来指导路由器。
CFI： Canonical Format Indicator，规范格式指示器，1比特，0表示以太网，1表示令牌环网。通常取值0。
VLAN ID： VLAN Identifier，12比特，可以表示的范围是0~4095，其中0和4095这两个ID保留，不能使用，因此实际应用中，


图3.12添加VLAN标签

可用的VLAN ID范围是1~4094。

这个VLAN标签由交换机来添加，如图3.12所示。主机发出来的以太网帧不携带VLAN Tag，通常也称为Untagged帧，这个帧到达SWA接口后，SWA会添加一个VLAN标签。
交换机根据什么添加VLAN标签呢？如图3.13所示，有多种不同的方式： 


图3.13VLAN标签添加的不同方法


第1种： 基于端口，图中SWA端口G0/0/1和G0/0/7收到的报文都打上VLAN5，G0/0/2和G0/0/9收到的报文都打上VLAN10，这是最常用的方式。
第2种： 基于MAC地址，SWA根据收到报文的S.MAC添加VLAN标签，这种方式需要对每个接入SWA的PC都要配置MAC和VLAN的映射关系，管理很不方便，实际中很少用。
第3种： 基于IP网段，SWA收到报文之后需要分析源IP所处的网段，因为要额外分析IP头，消耗交换机资源，实际中很少用。
第4种： 基于协议划分，应用面很窄，实际中很少用。
第5种： 基于策略，也就是将前面的4种进行组合控制，可以精准控制，但是配置复杂，消耗资源多，实际中用得更少。

通常都是基于端口分配VLAN标签，其他几种方式很少用到。

基于端口分配VLAN标签时，用PVID(Port VLAN ID，端口VLAN ID)配置接口的VLAN ID，如图3.14所示。


图3.14配置接口VLAN ID


VLAN标签是在交换机接口上处理的，交换机接收主机发过来的报文时会添加VLAN标签，往主机发送报文的时候需要剥离VLAN标签，这是因为主机不能识别带VLAN标签的报文。然而如果对端是交换机，发送报文的时候，又需要带VLAN标签。为了更好地控制VLAN标签的处理，交换机的接口可以工作于不同模式。
如图3.15所示，交换机连接主机的接口通常用Access(接入)模式，两交换机之间的接口通常用Trunk(骨干)模式。


图3.15交换机接口类型

3.2.2Access口工作原理
Access口和Trunk口的工作机制有什么区别呢？首先看Access口的工作机制。如图3.16所示，方框表示交换机，端口PVID=5，主机发往交换机的报文通常是Untagged，有些情况下也可以发Tagged报文。


图3.16Access口工作机制


收方向，指交换机接收主机发来的报文，分3种情况： 
第1种： Untagged报文，交换机会添加一个VLAN Tag=5，见方框左边P1报文处理； 
第2种： Tag=5的报文，交换机直接放行，不再添加VLAN Tag，见方框左边P2报文处理； 
第3种： Tag=10的报文，因为和PVID不一致，直接丢弃，见方框左边P3报文处理。
发方向，指交换机发往主机的报文，分2种情况： 
第1种： VLAN与PVID一致，Tag=5，剥离VLAN Tag，还原成Untagged报文，见方框右边P1报文处理； 


图3.17Access口工作示例

第2种： VLAN与PVID不一致，例如Tag=10，直接丢弃，见方框右边P2报文处理。
记忆技巧： 与PVID不一致的报文全部丢弃。Access口只允许一种VLAN Tagged报文通过。
Access口举例说明： 如图3.17所示，主机A发Untagged报文到SWA的G0/0/1接口，SWA添加VLAN Tag =10，报文进入交换机之后，携带VLAN Tag=10，然后交换机会从G0/0/3接口转发出去，因为G0/0/3接口的VLAN Tag =10，发出去的报文不带VLAN Tag。报文不会从G0/0/2接口转发出去，因为G0/0/2接口的PVID =2，与报文本身携带的VLAN Tag不一致，根据规则，直接丢弃。
Access口配置如图3.18所示。


图3.18Access口配置


进到接口模式，将接口配置为Access口： port linktype access。
给接口指定PVID： port default vlan 3。
3.2.3Trunk口工作原理
Trunk口的工作机制与Access口最大的不同点就是交换机之间允许多种不同VLAN tagged报文通过，因此相比Access口来说，多了一个allow pass控制列表，用来控制让哪几个VLAN Tag通过，实际配置的命令是port trunk allow vlan 5 10，指定让VLAN Tag 5、10通过。
如图3.19所示,左边上下两个方框表示交换机，上方交换机的接口PVID=5，从它的角度看收发报文的处理情况。
收方向： 指上方交换机接收下方交换机发来的报文，分3种情况： 
第1种： 收到Untagged报文，添加VLAN Tag=5，见方框左边P1报文处理。
第2种： 收到在allow pass范围内的VLAN Tag报文，直接通过，见方框左边P2、P3报文。
第3种： 收到带有VLAN Tag报文，但是该VLAN Tag不在allow pass范围内，丢弃，见方框左边P4报文。
发方向： 指上方交换机发报文给下方交换机，分3种情况： 
第1种： 报文带的VLAN Tag在allow pass范围内，同时又和PVID相同，剥掉VLAN Tag，发送Untagged报文，见方框右边P1报文处理。
第2种： 报文带的VLAN Tag在allow pass范围内，但是和PVID不一样，直接发走，见方框右边P2报文处理。
第3种： 报文带的VLAN Tag不在allow pass范围内，直接丢弃，见方框右边P3报文的处理。


图3.19Trunk口工作机制


Trunk口处理方式和Access有点类似，不同点就是多了一个allow pass控制列表。
Trunk口举例说明，如图3.20所示，主机A、C属于VLAN 1，主机B、D属于VLAN 20，交换机连接主机的接口都是Access口，SWA与SWB之间的接口是Trunk口，双方配置的VLAN 控制列表都是allow pass vlan 1 20。


图3.20Trunk口工作示例


主机A发送Untagged报文给SWA，SWA添加VLAN 1，这个报文会发往SWB，VLAN 1在SWA的allow pass范围内，同时又和接口的PVID一致，根据Trunk口的规则，会剥掉VLAN标签，变成Untagged报文发往SWB。SWB收到Untagged报文时会添加VLAN Tag=1，VLAN Tag=1在SWB的allow pass范围内，所以会放行并转发给主机C。

主机B发送Untagged报文给SWA，SWA添加VLAN Tag=20。SWA将报文发送给SWB时，因为其VLAN Tag 20在allow pass范围内，而且与接口PVID不一致，所以将其直接发给SWB。SWB收到这个报文时判断VLAN Tag 20在它的allow pass范围内，所以会转发给主机D。
通常Trunk口的PVID都使用默认的VLAN 1，如果要修改Trunk口的PVID，需要确保链路两边接口的PVID一致，如果不一致会导致报文无法被正确转发。可以尝试分析一下，如果SWA右边接口的PVID=1，SWB左边接口的PVID=20，报文是否能正确被转发到目标主机。
Trunk口配置如图3.21所示。


图3.21Trunk口配置命令



3.2.4Hybrid口工作原理
除了Access口和Trunk口外，华为交换机还支持一种混合接口，称之为Hybrid口，如图3.22所示，Hybrid口可以用在交换机和主机之间，还可以用于两个交换机之间。


图3.22Hybrid口应用场景


Hybrid口的工作机制与Trunk口最大的不同点就是Hybrid口有2个控制列表，一个是Tagged VLAN列表，另一个是Untagged VLAN 列表，用来更精准地控制报文。
如图3.23所示,左边上下两个方框表示交换机，上方交换机的接口PVID=5，从它的角度看收发报文的处理情况。


图3.23Hybrid口工作机制


收方向： 指上方交换机接收下方交换机发来的报文，分3种情况： 
第1种： 收到Untagged报文，添加VLAN Tag=5，见左边P1报文处理。
第2种： 收到带有VLAN Tag报文，且VLAN Tag在Tagged VLAN 列表里，见左边P2报文处理。
第3种： 收到带有VLAN Tag报文，但该VLAN Tag不在Tagged VLAN 列表里，丢弃，见左边P3、P4报文处理。
发方向： 指上方交换机发报文给下方交换机，分3种情况： 
第1种： 报文带的VLAN Tag在Tagged VLAN列表里，透传，见右边P1报文处理。
第2种： 报文带的VLAN Tag在Untagged VLAN列表里，剥掉VLAN Tag发出去，见右边P2报文处理。
第3种： 报文带的VLAN Tag不在Tagged VLAN列表又不在Untagged VLAN列表里，直接丢弃，见右边P3报文的处理。

Hybrid口举例说明，如图3.24所示，交换机所有接口都是Hybrid口，主机A属于VLAN2，主机B属于VLAN3，服务器属于VLAN100，主机A和主机B属于不同部门不能互相通信，但是都可以访问服务器。交换机端口配置如下： 
SWA端口1配置tagged list vlan 2 3 100，untagged列表随意，不配置也可以； 
SWA端口2配置untagged list vlan 2 100，tagged列表随意； 
SWA端口3配置untagged list vlan 3 100，tagged列表随意； 
SWB端口1配置tagged list vlan 2 3 100，untagged列表随意； 
SWB端口2配置untagged list vlan 2 3 100，tagged列表随意。


图3.24Hybrid口工作示例



主机A发送Untagged报文给SWA，SWA的2号端口会添加VLAN2，VLAN2在该端口的Untagged列表里，所以继续转发(如果不在列表里，会直接丢弃)。SWA的1号端口会将报文发出去，因为VLAN2在该端口的Tagged列表里，所以发出去的报文带有VLAN2。该报文到达SWB后，因为VLAN2也在SWB的Tagged列表里，所以继续转到SWB的2号端口。因为VLAN2在2号端口的Untagged列表里，所以SWB剥掉VLAN之后将其发给服务器。
反方向： 服务器回一个Untagged报文到达SWB的2号端口时会加上VLAN100，VLAN100在该端口的Untagged到表里，所以继续从1号端口发出去，因为VLAN100在1号端口的Tagged列表里，所以SWB发给SWA的报文带有VLAN100，到达SWA的1号端口时，因为VLAN100在该端口的Tagged列表里，所以继续转发给SWA的2号端口，VLAN100又在SWA的2号端口的Untagged列表里，所以会剥掉VLAN100变成Untagged报文发给主机A。
主机B和服务器的通信过程与主机A相似，可以试着分析一下。相关配置命令如图3.25所示。


图3.25Hybrid口配置命令


华为交换机的接口支持3种模式，分别是Access、Trunk、Hybrid。出厂默认的接口模式是Hybrid，默认的VLAN Tag=1。
初次接触VLAN配置会容易搞混，因为规则太多，最好的解决办法就是多做实验，多练习，也可以自己设计一些场景，然后做实验验证。
3.2.5实验演示
做实验之前先介绍几个小技巧，方便问题定位解决。


图3.26检查当前接口配置


实验小技巧： 
① 查看当前接口的配置情况，可以检查当前接口是不是漏配、错配，如图3.26所示； 
② 端口模式切换之前，要删除接口下的所有配置，如果不删除，系统会提示错误，删除的时候用undo命令，如图3.27所示； 


图3.27删除接口下的配置


③ 可以用display currentconfiguration查看当前设备的所有配置，如图3.28所示。


图3.28查询当前所有配置


1. Access口基本实验
如图3.29所示，交换机接口的PVID=2，主机的IP地址分别是192.168.1.1/24和192.168.1.2/24。


图3.29Access口实验拓扑


步骤1： 配置主机IP，双击CLIENT1，配置IP地址和子网掩码，如图3.30所示。


图3.30主机的IP配置


CLIENT2的配置与此相似，把IP地址换成192.168.1.2即可。
步骤2： 配置交换机，双击LSW1，配置接口模式和PVID，如图3.31所示。
注： 配置之前要先在系统模式下创建vlan，使用命令vlan 2。如果不创建vlan会导致通信无法建立。
步骤3： 验证实验结果。主机和交换机都配置好后，可以到主机中验证实验是否成功，如图3.32所示。
2. Trunk口实验演示
如图3.33所示，PC1和PC3属于VLAN2，PC2和PC4属于VLAN3。
步骤1： 配置LSW1，配置命令如图3.34所示。
步骤2： 配置LSW2，配置命令如图3.35所示。



图3.31配置交换机接口




图3.32验证配置




图3.33Trunk口实验拓扑



图3.34配置LSW1




图3.35配置LSW2



步骤3： 配置各个PC，配置界面如图3.36所示。PC2、PC3、PC4的配置与此相似，修改相应IP地址就可以了。
步骤4： 验证配置结果，PC1可以ping通 PC3的IP地址，PC2可以ping通PC4的IP地址，如图3.37（a）和图3.37（b）所示。
实验拓展，自己尝试做以下验证，增加对Trunk口转发机制的理解： 



图3.36配置PC1




（a） 实验验证——PC1 ping PC3



（b） 实验验证——PC2 ping PC4

图3.37


1. 在LSW1和LSW2之间的链路上启动抓包，PC1 ping PC3，PC2 ping PC4，PC1 ping PC4观察ping报文的vlan携带情况； 
2. 将LSW1和LSW2的Trunk口PVID都改成2，再抓包分析； 
3. 将LSW1的Trunk口PVID改成2，LSW2的Trunk口PVID改成3，再抓包分析。
3. Hybrid口实验演示
如图3.38所示，PC1属于 VLAN 2，PC2属于VLAN 3，PC3属于VLAN 100，PC1和PC2不能互通，但是都可以访问PC3。


图3.38Hybrid实验拓扑


步骤1： 配置LSW1，如图3.39所示。


图3.39配置LSW1


步骤2： 配置LSW2，如图3.40所示。
步骤3： 配置PC1的IP地址和子网掩码，如图3.41所示，PC2和PC3的配置与此相似。
步骤4： 验证PC1与PC3，PC2与PC3，PC1与PC2的连通性，如图3.42(a)和(b)所示。
附加练习： 下面是一个综合实验，做完之后可以加深对各种模式的理解，如图3.43所示。



图3.40配置LSW2




图3.41配置PC1的IP地址和子网掩码




(a) 实验验证——PC1 ping PC2/PC3

图3.42




(b) 实验验证——PC2 ping PC3

图3.42(续)




图3.43综合实验拓扑


3.2.6小结
本节介绍了VLAN的应用场景，以及VLAN的实现方法，还介绍了华为交换机接口的3种模式，分别是Access、Trunk、Hybrid，最后对各种模式做了实验演示。
本节内容相对比较抽象，需要记忆的规则较多，同时又非常重要，日常工作中经常用到，需要掌握到融会贯通的程度。建议多做实验，可以增加命令熟练度，又可以增加对各种不同模式的理解。

3.3STP原理与配置
为了提高网络可靠性，二层交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会带来环路问题。STP协议(Spanning Tree Protocol，生成树协议)可以避免网络环路带来的问题，还可以在链路故障的时候自动恢复业务。
3.3.1二层环路带来的问题
如图3.44所示，为了提高链路可靠性，交换机之间都采用备份链路，防止链路故障的时候业务中断。


图3.44二层冗余链路


广播风暴问题： 如图3.45所示，交换机SWA、SWB、SWC形成环路，主机A和主机B通信的时候，首先要通过ARP协议获得对方的MAC地址，ARP协议的目标MAC是广播MAC地址FFFFFFFFFFFF。


图3.45环路广播风暴示意图


主机A发送一个广播报文给SWB，SWB会给0、1端口各发一份，SWA收到之后会给0端口发一份，SWC收到之后会给1、2端口各发一份，然后又回到SWB，此时SWB还会继续转发，给0、2端口各发一份，如此循环不停，顺时针和逆时针方向都会有环路。
广播报文随着时间推移会不断累加，最终设备端口带宽都被占满，设备崩溃。
MAC地址表振荡问题： 如图3.46所示，主机A发送ARP报文给SWB，SWB会分析该报文的源MAC地址，并更新到MAC地址表，添加表项： 0005060708AA 端口G0/0/3。


图3.46MAC地址表振荡示意图



因为这是一个广播报文，经过SWA、SWC之后又回到SWB，此时是从G0/0/2收到的，因此SWB会更新MAC地址表，将原来的删掉，更新为： 0005060708AA 端口G0/0/2。
此时如果有其他主机发送报文给主机A，SWB查表发现主机A在G0/0/2端口下，报文发往此端口将无法正确转发给主机A，导致业务中断。稍后主机A再次发出ARP报文，SWB又重新更新到正确的表项，这样就会导致MAC地址表振荡，业务时通时不通。

因为有广播风暴和MAC地址表振荡问题，二层网络不应该存在环路。破除环路有两种办法，一种是手动拔插，但是业务中断时间较长，另外一种是靠协议自动控制，这个协议就是STP协议。

3.3.2STP基本原理
前面介绍以太网帧结构的时候，介绍了两种帧结构，一种是Ethernet_II帧，这是用来封装实际业务报文的，例如ping报文，另一种是IEEE 802.3帧，这是用来封装二层协议报文的，STP报文就是用这种格式。
如图3.47所示，STP通过BPDU(Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元)交互信息。


图3.47BPDU交互


STP使用的帧结构，如图3.48所示，里面封装了当前交换机相关的一系列信息，如交换机优先级、MAC地址、接口数量、各接口带宽、接口优先级等。


图3.48STP帧结构


交换机收集这些信息之后就可以计算出应该阻塞哪个端口。如图3.49所示，SWC通过计算得知左边端口应该阻塞，该端口被阻塞之后，网络中不存在环路，从而避免了网络风暴和MAC表振荡问题。


图3.49阻塞端口避免环路

注： 交换机阻塞的是业务报文，STP报文并没有被阻塞，BPDU还是可以在SWB和SWC之间的链路上转发。

3.3.3STP计算过程
阻塞端口是怎么计算出来的呢？主要通过4个步骤，如图3.50所示： 
步骤1： 根据各个交换机的优先级选取一个根桥(Root Bridge)； 
步骤2： 每个非根交换机选取一个根端口(R: Root port)，即距离根桥最近的端口； 
步骤3： 为每条链路选取一个指定端口(D: Designated port)，即距离根桥最近的端口； 
步骤4： 非R非D端口就是阻塞端口(A: Alternative Port)。


图3.50阻塞端口计算过程


注： 步骤2是从交换机的角度来看，例如SWB有2个端口，比较哪个端口离根桥最近，步骤3是从链路的角度来看，例如图中下方那条链路，比较左右两个端口哪个距离根桥近。

下面介绍各个步骤的具体实现过程。
步骤1： 选取根桥。 如图3.51所示，根据交换机优先级选取根桥，首先比较交换机优先级，优先级取值范围是0~65535，默认优先级为32768，如果优先级一样，就比较MAC地址，值越小优先级越高。


图3.51根桥选取

图中SWA的优先级是4096，SWB和SWC的优先级都是32768，因此SWA优先级最高，是根桥(Root)。此外，SWB的MAC地址比SWC的值小，因此SWB的优先级又比SWC的高。
步骤2： 非根交换机选取根端口(R端口)。如图3.52所示，共有5台交换机，分别是SWA、SWB、SWC、SWD、SWE，其中SWA是根桥，SWB、SWC、SWD、SWE是非根交换机，这一步就是为非根交换机选取根端口。


图3.52非根交换机选取根端口


根端口指离根桥最近的端口，与根桥距离的远近通过链路开销来计算，每条链路都有开销值，跟链路带宽有关，带宽越大开销越小，例如100Mb/s的接口开销是1，50Mb/s的接口开销是2，10Mb/s的接口开销是10，简单的计算公式： 100Mb/s/接口带宽=开销。
图中LC指的就是链路开销，LC 1指链路开销值为1。
SWB有2个接口，到达根桥SWA的路径分别是： 
G0/0/1： SWB→SWA，途经1条链路。
G0/0/2： SWB→SWC→SWD→SWA，途经3条链路。
对应的开销分别是： 
G0/0/1： 1。
G0/0/2： 2+2+1=5。
G0/0/1到达根桥的开销最小，因此G0/0/1就是SWB的根端口。SWD根端口的选取与SWB相似。
SWC有2个接口，到达根桥SWA的路径分别是： 
G0/0/1： SWC→SWB→SWA，途经2条链路。
G0/0/2： SWC→ SWD→SWA，途经2条链路。
对应的开销分别是： 
G0/0/1： 2+1=3。
G0/0/2： 2+1=3。
2个端口开销值一样，此时要判断接口对端交换机的优先级，接口G0/0/1对端的交换机是SWB，G0/0/2对方的交换机是SWD。根据前面介绍的规则，SWB的优先级高于SWD，因此G0/0/1是SWC的根端口。
SWE有两个端口，开销值一样都是11，对端是同一台交换机，优先级一样，此时要判断对端接口ID，SWE的G0/0/1对端的接口ID是SWD的G0/0/1，SWE的G0/0/2对端的接口ID是SWD的G0/0/2，值越小越优，因此SWE的根端口是G0/0/1。
步骤3： 为每条链路选取一个指定端口(D端口)。如图3.53所示，3台交换机之间共有4条链路，分别是左上链路L1，右上链路L2，底部链路L3，右下角链路L4。


图3.53选指定端口


根桥的所有端口都是指定端口，因此L1的D端口是SWA的G0/0/1口，L2的D端口是SWA的G0/0/2口。
L3左右两个端口怎么选D端口呢，和根端口类似，也是通过计算距离根桥的开销来确定的，左边端口的开销是2+1=3，右边端口的开销是2+2=4，左边的开销更小，因此L3的左边端口是D端口。
L4链路两端距离根桥的开销一样，交换机优先级一样，此时比较端口优先级，端口3的值小一点，优先级更高，因此SWC的G0/0/3端口是D端口。
步骤4： 非R非D端口就是阻塞端口(A端口)。图3.53中，SWC的G0/0/2和G0/0/4不是R端口，也不是D端口，它就是A端口，因此会被阻塞，阻塞之后，网络中就不存在环路了。
总结一下STP的工作过程如下。
① 选取根桥(Root)： 比较交换机的优先级，如果优先级一样，则比较交换机的MAC地址大小； 
② 选取根端口(R端口)： 比较交换机各端口到达根桥的cost，如果cost相等则比较对端交换机的优先级，如果对端交换机优先级相等则比较对端端口的优先级(端口也有优先级，默认值是128，一般不做配置，实际上比较的是端口的编号)； 
③ 选取指定端口(D端口)： 首先，根桥的每个端口都是D端口，接着，看其他不与根桥直连的链路，比较其两端到达根桥的cost，如果相等，则比较对端交换机优先级，如果优先级相等则比较对端端口号； 
④ 非R非D端口就是A端口。

STP协议中，都是值越小越优，包括交换机的优先级、MAC地址、端口优先级、端口号。

所有这些参数都在STP的BPDU报文中交互，然后交换机通过计算，来确定本交换机各个端口的角色。
举例说明： 如图3.54所示，共有SWA、SWB、SWC、SWD、SWE 5台交换机，各交换机的优先级、MAC地址和各个链路的cost见图中标注。其中SWB和SWD的优先级最高，都是4096，但是SWB的MAC地址比SWD小，因此SWB是根桥Root。


图3.54STP拓扑示例



根端口选取： 
SWA有3个端口，到达根桥SWB的路径和cost如下。
端口1： SWA→SWB, cost=1，根端口(R)； 
端口2： SWA→SWC→SWB, cost=15； 
端口3： SWA→SWD→SWB, cost=11。
SWC有3个端口，到达根桥SWB的路径和cost如下。
端口1： SWC→SWD→SWA→SWB, cost=7； 
端口2： SWC→SWA→SWB, cost=11； 
端口3： SWC →SWB, cost=6，根端口(R)。
SWD有3个端口，到达根桥SWB的路径和cost如下。
端口1： SWD→ SWA→SWB, cost=2，根端口(R)； 
端口2： SWD→ SWB, cost=10； 
端口3： SWD→SWC→SWB, cost=11。
SWE有2个端口，到达根桥SWB的cost相同，对端交换机优先级相同，取对端端口号最小的，因此SWE的端口2是根端口(R)。各个交换机的R端口分布如图3.55所示。


图3.55非根交换机的R端口选取



指定端口选取： 
根交换机的所有端口都是D端口，因此SWB的1、2、3端口都是D端口； 
SWASWC之间的链路： 上端cost 为10+1=11，下端cost为10+6=16，因此SWA的端口2是D端口； 
SWASWD之间的链路： 上端cost 为1+1=2，下端cost为1+10=11，因此SWA的端口3是D端口； 
SWCSWD之间的链路： 上端cost 为5+1+1=7，下端cost为5+6=11，因此SWD的端口3是D端口； 
SWDSWE之间的两条链路： 左边接口距离根桥最近，因此D端口都在链路左边。
各链路的D端口分布如图3.56所示。


图3.56各链路指定端口选取

非R非D端口会被阻塞，因此最后的生成树如图3.57所示。


图3.57最终生成树


3.3.4临时环路问题
如图3.58所示，最开始的时候SWA是Root，SWC的左边端口是A端口。后来修改了SWC的优先级，SWC变成了Root，根据规则，SWC左边的端口肯定是D端口，如果A端口马上变为D端口，短时间内网络中还是会有环路存在。


图3.58临时环路


为了避免临时环路存在，A端口切换到D端口的时候，需要经过两个中间状态，每个状态持续15s，共需要30s。30s内，新的A口被选出来，就可以避免临时环路的存在。
交换机端口共有5种状态，分别如下。
① Disabled： 禁用状态。端口不能处理任何报文，使用命令disable后进入该状态； 

② Blocking： 阻塞状态。端口只能接收BPDU，不能发送报文，A端口处于这种状态； 
③ Forwarding： 转发状态。端口可以收发任何报文，R端口和D端口处于这种状态； 
④ Listening： 侦听状态。端口可以收发BPDU报文，但不能收发业务报文； 
⑤ Learning： 学习状态。端口可接收业务报文(更新MAC表)，不能发送业务报文。
A端口切换到D端口需要经过如下状态，如图3.59所示。


图3.59A端口到D端口的切换过程



3.3.5故障恢复过程
交换机在根桥选取前，都认为自己是根桥，主动发BPDU给旁边的交换机，各个交换机通过比较优先级选取出根桥之后，只有根桥才周期性发BPDU，如图3.60所示。


图3.60根桥选取前后BPDU发送情况



如果根桥出现故障，网络怎么恢复业务呢？如图3.61所示，SWA是Root，正常工作的时候会周期性发BPDU给各个交换机。如果SWA出现故障，网络中就没有BPDU更新，经过20s后，之前根桥发的BPDU老化删除，SWB和SWC开始互发BPDU，重新选取根桥。


图3.61根桥故障场景



SWC左边的端口是A端口，BPDU老化后，还要经过Listening和Learning这两个状态才能进入正常转发状态，需要时长20+15+15=50s，也就是说根桥失效后，恢复业务需要50s。
如果链路出现故障，如何恢复呢？
如图3.62所示，SWB和SWA之间的链路出现逻辑故障，而非物理故障。


图3.62链路故障恢复



SWB认为SWA失效，因此尝试发送BPDU给SWC，但是SWC能收到SWA发来的BPDU，知道Root还正常工作，因此忽略来自SWB的BPDU，但是SWC左边的A端口一直收不到SWA发的BPDU，因此20s后会开始切换到D端口，A端口切换到D端口还需要经过两个中间状态，因此恢复业务共需要20+15+15=50s。

3.3.6MAC地址表错误问题
如图3.63所示，主机A和主机B的通信走上面的路径，SWB的MAC地址表如图所示。


图3.63示例拓扑


后来SWC的G0/0/1口出现故障，路径改为下面那条链路，但是SWB的MAC表项没有更新，因为交换机的MAC表项是根据ARP报文来更新的，交换机链路故障，但是主机A、主机B本身还有ARP缓存表，并不会再发ARP请求，所以不会更新。
交换机的MAC表老化时间是300s，因此300s内，主机A发往主机B的报文，SWB会从G0/0/1转发出去，最终无法到达主机B。这种情况下，业务恢复时间需要300s。
为了解决这个长时间业务中断问题，STP引入了拓扑更新机制，如图3.64所示，SWC感知到G0/0/1出现故障后，通过一系列动作强制刷新MAC地址表，具体过程如下。
① SWC往G0/0/2发送TCN(Topology Change Notification，拓扑变更通知)； 
② SWB收到TCN后，给SWC回TCA，让SWC停止发TCN； 
③ SWB给根桥SWA转发TCN； 
④ SWA发TC给SWB，通知SWB刷新MAC地址表； 
⑤ SWB给SWC转发TC，通知SWC刷新MAC地址表。


图3.64网络拓扑刷新过程



交换机收到从根桥发来的TCN后，将自己的MAC地址表老化时间改成15s(可配置)，15s后，MAC地址表被清空，此时如果收到主机A发往主机B的报文时，对SWB来说就是未知单播，根据规则会泛洪到各个端口，SWC也同样泛洪，业务恢复。后续再通过ARP报文更新MAC地址表。
这个MAC更新过程和listening、learning状态同时进行，因此网络最大业务中断时间是50s。

3.3.7STP配置
如图3.65所示，STP主要有以下几个常用配置命令： 
stp disable： 停止使用STP功能； 
stp enable： 开始使用STP功能； 
stp mode： 选择STP模式，共有3个，RSTP和MSTP下一节再介绍，华为交换机默认开启STP，模式是MSTP； 
stp priority： 配置交换机的优先级； 
stp pathcoststandard： 指定链路cost的计算标准，同样的带宽，不同标准算出来的cost值不一样，默认采用dot1t标准； 
stp cost 2000： 对接口强制指定cost值，一般不建议这么配置，可能会产生次优路径。



图3.65STP配置命令和路径cost计算标准


查看实验结果，如图3.66所示，使用display stp查看相关信息，上面方框内是当前交换机信息，下面方框内是当前接口相关信息。


图3.66查看STP相关参数


实验建议： 自己设计各种拓扑，各链路都使用Ethernet 100M口，这样每一条链路的cost都一样，方便计算，如图3.67所示。


图3.67实验拓扑

拓扑搭建好之后，使用display stp查看各个交换机的优先级，然后按照前面介绍的方法计算根桥、根端口、指定端口、阻塞端口，再用命令查询各个接口的模式，验证R端口、D端口、A端口所处的位置是不是和计算的一致。
3.3.8小结
本节介绍了STP的应用场景和工作原理，还介绍了网络发生故障时的恢复过程，以及相关配置。
本节内容是重点也是难点，初学的时候很抽象，特别是以前学过又没有学懂的读者，头脑里很多杂念，学起来更加费劲。建议清空头脑里的杂念，按照课程里面介绍的步骤一步步来学习，再多做实验加以练习。

3.4RSTP与MSTP原理与配置
STP虽然能够解决环路问题，但是收敛速度慢，最长需要50s才能恢复业务，影响了用户通信质量。RSTP(Rapid SpanningTree Protocol，快速生成树协议)在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。
MSTP(Multi SpanningTree Protocol，多生成树协议)在RSTP的基础上进行了扩展，一个网络中同时存在多个生成树，可以优化网络的转发效率。

3.4.1RSTP原理
RSTP可以实现快速收敛，收敛时间缩小到3~5s，如图3.68所示。


图3.68STP与RSTP的差异


RSTP主要是通过以下几个机制实现快速收敛： 
① 备份端口； 
② 边缘端口； 
③ P/A机制。

备份端口： 如图3.69所示，SWC的G0/0/1和G0/0/2同时连接到右边的Hub，相当于一个物理环路。STP中，SWC的G0/0/1是D端口，G0/0/2是A端口，如果G0/0/1发生故障，G0/0/2恢复业务需要50s，但实际上业务可以立刻恢复，因为右边网络不存在临时环路问题。


图3.69备份端口


在这个场景下，RSTP会将G0/0/2置为B端口(Backup，备份端口)，如果G0/0/1发生故障，G0/0/2可以马上恢复业务。
边缘端口： 如图3.70所示，SWC的G0/0/1口连接终端，没有必要参与STP计算，可以直接从Disabled变成Forwarding状态，无需再经过Listening和Learning状态。


图3.70边缘端口



但是如果将计算机替换为交换机，在其向SWC的G0/0/1发送RSTP报文之后，该端口会重新变成普通端口，参与RSTP计算。
P/A机制（Proposal/Agreement）： 如图3.71所示，刚开始的时候SWA、SWB、SWC的优先级都是默认值32768，其中SWA的MAC地址最小，因此SWA是Root。经过计算，SWC的G0/0/1口是A端口，被阻塞。


图3.71P/A机制工作过程


后来手动修改了SWC的优先级，从32768改成4096，SWC成为新的Root，G0/0/1口成为D端口。RSTP中，SWC通过P/A机制让G0/0/1快速进入转发状态，具体过程如下： 
① SWC给SWB发Proposal，咨询SWB，自己是否可以进入转发状态； 
② SWB不知道新的A端口在哪里，发送Proposal给SWA，把球踢给SWA； 
③ SWA的G0/0/1是新的A端口，可以确定网络不会存在环路，所以回Agreement给SWB； 
④ SWB收到SWA的Agreement之后，也发Agreement给SWC； 
⑤ SWC的G0/0/1收到Agreement之后，确定新的A端口已经存在，不会有环路，立刻进入转发状态，成为D端口。

这个过程看起来步骤很多，但实际上交换机很短时间内就可以完成。

除了上面3个优化点之外，RSTP与STP还有2个差异点： 
① Hello BPDU发送差异； 
② 拓扑变化处理差异。
Hello报文发送差异： 如图3.72所示，根桥稳定之后，每个交换机都会发Hello BPDU，STP只有根桥才能发Hello BPDU。


图3.72RSTP的Hello BPDU



拓扑变化差异： 如图3.73所示，SWA是Root，SWC的G0/0/2口最开始是A端口，后来SWC的G0/0/1口发生故障。


图3.73RSTP拓扑变化处理机制


SWA感知到G0/0/1口状态变化后，马上清除G0/0/1口相关的MAC地址表项。SWC为了快速恢复业务，从G0/0/2口发出Proposal，SWB收到这个Proposal后也向SWA发Proposal，同时将Proposal的出接口，也就是SWB的G0/0/1接口相关的MAC地址表项清除，防止业务报文发送到错误的端口。
如果网络中有多台交换机，途经的每台交换机都会将发出Proposal的接口相关的MAC地址表项清除。大家可以自己比较一下STP与RSTP的差异。
关于RSTP与STP的兼容性，当同一个网段里既有工作在STP模式的交换机又有工作在RSTP模式的交换机时，STP交换机会忽略接收到的RSTP BPDU，而RSTP交换机在某端口上接收到STP BPDU时，会在等待两个Hello Time时间之后，把自己的端口切换到STP工作模式，此后便发送STP BPDU，这样就实现了兼容性操作。全网同步成STP之后，收敛速度变慢，一般不这么用。

3.4.2RSTP配置
RSTP配置与STP配置类似，不过多了几个特性，如图3.74所示。


图3.74RSTP配置



SWC的G0/0/3接口配置了边缘端口后，如果收到BPDU会变成普通端口。配置BPDU保护功能后，如果边缘端口收到BPDU报文，该端口将会被立即关闭，并通知网管系统。被关闭的边缘端口只能通过管理员手动恢复，以防止非法接入交换机，影响网络拓扑结构。
3.4.3MSTP工作原理
实际应用中，不同的业务可能会走不同的路径，如图3.75所示，VLAN 2和VLAN 3的业务走不同路径，如果此时通过计算将SWD的G0/0/1口阻塞，那么VLAN 3的业务会受影响。为了解决这个问题，需要使用MSTP(Multi Spanning Tree Protocol，多生成树协议)，在一个网络中同时存在多个生成树，可以以VLAN为单位，一个VLAN一个生成树，也可以多个VLAN共享一个生成树。


图3.75MSTP工作原理


3.4.4小结
本节主要介绍了RSTP，另外简要介绍了MSTP的工作背景。RSTP采用了多个快速收敛机制，其中最主要的是P/A机制，大大减少了业务恢复时间，从STP的50s减到3~5s。MSTP支持多个生成树，其收敛时间和RSTP一样，也是3~5s。