交換：構(gòu)建全新生成樹

2019-11-03 10:25:06

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

Chiara Regale
　　實施IEEE 802.1w和802.1s

　　摘要：為加速網(wǎng)絡融合并解決與生成樹和虛擬LAN(VLAN)交互相關(guān)的地址可擴展性限制的問題，IEEE開發(fā)了在802.1w中定義的快速生成樹協(xié)議(RSTP)和在802.1s中定義的多生成樹協(xié)議(MST)。這篇由思科的Chiara Regale撰寫的文章介紹了IEEE 802.1w和802.1s的主要特性，討論了與傳統(tǒng)生成樹協(xié)議的互操作性，并提供了一些協(xié)議移植準則。

　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)，思科多實例生成樹協(xié)議(MISTP)，IEEE 802.1D，IEEE 802.1s，IEEE 802.1w，多生成樹協(xié)議(MST)，快速生成樹協(xié)議(RSTP)，生成樹協(xié)議(STP)，VLAN

　　深入閱讀

　　有關(guān)生成樹、RSTP和MSTP的具體信息，請閱讀以下白皮書：

　　·配置生成樹

　　·了解快速生成樹協(xié)議802.1w

　　·了解多生成樹協(xié)議802.1s

　　功能強大、可靠的網(wǎng)絡需要有效地傳輸流量，提供冗余和故障快速恢復功能。在第二層網(wǎng)絡中，路由協(xié)議不可用，生成樹協(xié)議通過從網(wǎng)格化物理拓撲結(jié)構(gòu)而構(gòu)建一個無環(huán)路邏輯轉(zhuǎn)發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)，提供了冗余連接，消除了數(shù)據(jù)流量環(huán)路的威脅。原始生成樹協(xié)議 IEEE 802.1D通常在50秒內(nèi)就可以恢復一個鏈接故障[融合時間=(2xForward_Delay)+Max_Age]。當設(shè)計此協(xié)議時，這種停機還是可接受的，但是當前的關(guān)鍵任務應用(如語音和視頻)卻要求更快速的網(wǎng)絡融合。

　　為加速網(wǎng)絡融合并解決與生成樹和虛擬LAN(VLAN)交互相關(guān)的地址可擴展性限制的問題，IEEE委員會開發(fā)了兩種新標準：在IEEE 802.1w中定義的快速生成樹協(xié)議(RSTP)和在IEEE 802.1s中定義的多生成樹協(xié)議(MST)。

　　本文介紹了802.1w和802.1s的主要特性、與傳統(tǒng)生成樹協(xié)議的互操作性，并提供了一些協(xié)議移植準則建議。

　　IEEE 802.1w快速生成樹協(xié)議

　　IEEE意識到原始802.1D生成樹協(xié)議的融合特性與現(xiàn)代化的交換網(wǎng)絡和應用相比是有差距的，為此設(shè)計了一種全新的802.1w快速生成樹協(xié)議(RSTP)，以解決802.1D的融合問題。IEEE 802.1w RSTP的特點是將許多思科增值生成樹擴展特性融入原始802.1D中，如Portfast、Uplinkfast和Backbonefast。(瀏覽這些思科特性的具體信息)通過利用一種主動的網(wǎng)橋到網(wǎng)橋握手機制取代802.1D根網(wǎng)橋中定義的計時器功能，IEEE 802.1w協(xié)議提供了交換機(網(wǎng)橋)、交換機端口(網(wǎng)橋端口)或整個LAN的快速故障恢復功能。通過將生成樹"hello"作為本地鏈接保留的標志，RSTP改變了拓撲結(jié)構(gòu)的保留方式。這種做法使原始802.1D fwd-delay和max-age計時器主要成為冗余設(shè)備，目前主要用于備份，以保持協(xié)議的正常運營。

　　除了下面章節(jié)中列舉的新概念外，RSTP引入了新的BPDU處理和新的拓撲結(jié)構(gòu)變更機制。每個網(wǎng)橋每次"hello time"都會生成BPDU，即使它不從根網(wǎng)橋接收時也是如此。BPDU起著網(wǎng)橋間保留信息的作用。如果一個網(wǎng)橋未能從相鄰網(wǎng)橋收到BPDU，它就會認為已與該網(wǎng)橋失去連接，從而實現(xiàn)更快速的故障檢測和融合。

　　在RSTP中，拓撲結(jié)構(gòu)變更只在非邊緣端口轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時發(fā)生。丟失連接--例如端口轉(zhuǎn)入阻塞狀態(tài)，不會像802.1D一樣引起拓撲結(jié)構(gòu)變更。802.1w的拓撲結(jié)構(gòu)變更通知(TCN)功能不同于802.1D，它減少了數(shù)據(jù)的溢流。在802.1D中，TCN被單播至根網(wǎng)橋，然后組播至所有網(wǎng)橋。802.1D TCN的接收使網(wǎng)橋?qū)⑥D(zhuǎn)發(fā)表中的所有內(nèi)容快速失效，而無論網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)是否受到影響。相形之下，RSTP則通過明確地告知網(wǎng)橋，溢出除了經(jīng)由TCN接收端口了解到的內(nèi)容外的所有內(nèi)容，優(yōu)化了該流程。TCN行為的這一改變極大地降低了拓撲結(jié)構(gòu)變更過程中，MAC地址的溢出量。

　　端口作用

　　RSTP在端口狀態(tài)(轉(zhuǎn)發(fā)或阻塞流量)和端口作用(是否在拓撲結(jié)構(gòu)中發(fā)揮積極作用)間進行了明確的劃分。除了從802.1D沿襲下來的根端口和指定端口定義外，還定義了兩種新的作用(見圖1)：

　　· 備份端口--用于指定端口到生成樹樹葉的路徑的備份，僅在到共享LAN網(wǎng)段有2個或2個以上連接，或2個端口通過點到點鏈路連接為環(huán)路時存在

　　· 替代端口--提供了替代當前根端口所提供路徑、到根網(wǎng)橋的路徑

　　這些RSTP中的新端口實現(xiàn)了在根端口故障時替代端口到轉(zhuǎn)發(fā)端口的快速轉(zhuǎn)換。下面的例子中詳細解釋了此過程。

　　端口狀態(tài)

　　端口的狀態(tài)控制轉(zhuǎn)發(fā)和學習過程的運行。

　　RSTP定義了3種狀態(tài)：放棄、學習和轉(zhuǎn)發(fā)。根或指定端口在拓撲結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著積極作用，而替代或備份端口不參與主動拓撲結(jié)構(gòu)。在穩(wěn)定的網(wǎng)絡中，根和指定端口處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，替代和備份端口則處于放棄狀態(tài)。

　　快速融合概述

　　如前所述，RSTP 旨在盡快地將根端口和指定端口轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，以及將替代和備份端口轉(zhuǎn)成阻塞狀態(tài)。為防止生成轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路，RSTP在網(wǎng)橋間采用了明確的"握手"功能，以確保端口作用在網(wǎng)絡中分配的一致性。

　　圖2介紹了將端口轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)發(fā)前達成的協(xié)定/建議握手。當鏈接激活時，"P1"和"P2"都成為處于放棄狀態(tài)的指定端口。

　　在這種情況下，"P1"將向交換機A發(fā)送一個建議BPDU。收到新BPDU后，交換機A將確認根交換機有較優(yōu)根成本。因為BPDU包含較高的根優(yōu)先級，交換機A在將新的根端口"P2"轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)前，會先啟動同步機制。如果一個端口處于阻塞狀態(tài)或是一個邊緣端口(位于網(wǎng)橋LAN邊緣或連接到終端工作站)，該端口與根信息同步。

　　端口3("P3")已滿足上述要求，因為它已經(jīng)是阻塞的。因此，不會對該端口采取任何行動。但是，"P4"是一種指定端口，需要阻塞。一旦交換機A上的所有接口處于同步狀態(tài)，"P2"就會承認從前從根接收的建議，并可以安全地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。在收到交換機A的認可后，根交換機將立即將"P1"轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)發(fā)。建議/協(xié)定信息的類似傳送波將從"P4"傳播至網(wǎng)絡枝葉部分。

　　由于這種握手機制不依賴計時器，因此它可以快速地傳播至網(wǎng)絡邊緣，并在拓撲結(jié)構(gòu)變更后迅速恢復連接。如果協(xié)定并未復制建議信息，端口會轉(zhuǎn)換成802.1D模式，并通過傳統(tǒng)聽學順序轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。需要說明的是，802.1w協(xié)議只適用于點到點鏈接。在媒體共享的情況下，802.1w協(xié)議將轉(zhuǎn)換成802.1D運行。

　　多生成樹協(xié)議

　　在Cisco MISTP[多實例生成樹協(xié)議]的推動下，MST通過將一些基于VLAN的生成樹匯聚入不同的實例，并且每實例只運行一個(快速)生成樹，從而改進了RSTP的可擴展性。為確定VLAN實例的相關(guān)性，802.1s引入了MST區(qū)域概念。每臺運行MST的交換機都擁有單一配置，包括一個字母數(shù)字式配置名、一個配置修訂號和一個4096部件表，它與潛在支持某個實例的各4096 VLAN相關(guān)聯(lián)。作為公共MST區(qū)域的一部分，一組交換機必須共享相同的配置屬性。重要的是請記住，配置屬性不同的交換機會被視為位于不同的區(qū)域。

　　為確保一致的VLAN實例映射，協(xié)議需要識別區(qū)域的邊界。因此，區(qū)域的特征都包括在BPDU中。交換機必須了解它們是否像鄰居一樣位于同一區(qū)域，因此會發(fā)送一份VLAN實例映射表摘要，以及修訂號和名稱。當交換機接收到BPDU后，它會提取摘要，并將其與自身的計算結(jié)果進行比較。為避免出現(xiàn)生成樹環(huán)路，如果兩臺交換機在BPDU中所接收的參數(shù)不一致，負責接收BPDU的端口就會被宣布為邊界端口。

　　IEEE 802.1s引入了IST(內(nèi)部生成樹)概念和MST實例。IST是一種RSTP實例，它擴展了MST區(qū)域內(nèi)的802.1D單一生成樹。IST連接所有MST網(wǎng)橋，并從邊界端口發(fā)出、作為貫穿整個網(wǎng)橋域的虛擬網(wǎng)橋。MST實例(MSTI)是一種僅存在于區(qū)域內(nèi)部的RSTP實例。它可以缺省運行RSTP，無須額外配置。不同于IST的是，MSTI在區(qū)域外既不與BPDU交互，也不發(fā)送BPDU。MST可以與傳統(tǒng)和PVST+交換機互操作。思科實施定義了16種實例：一個IST(實例0)和15個MSTI，而802.1s則支持一個IST和63個MSTI。

　　與傳統(tǒng)生成樹的互操作性

　　RSTP和MSTP都能夠與傳統(tǒng)生成樹協(xié)議互操作。但是，當與傳統(tǒng)網(wǎng)橋交互時，802.1w的快速融合優(yōu)勢就會失去。

　　為保留與基于802.1D網(wǎng)橋的向后兼容性，IEEE 802.1s網(wǎng)橋在其端口上接聽802.1D格式的BPDU。如果收到了802.1D BPDU，端口會采用標準802.1D行為，以確保兼容性。例如，在圖3中，交換機A上的"P4"一旦在至少兩倍的"hello time"中檢測到PVST+ BPDU，它就會發(fā)送PVST+ BPDU。要說明的是，如果PVST+網(wǎng)橋從網(wǎng)絡中刪除后，交換機A就無法發(fā)現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)變更，需要人工重啟協(xié)議移植。

　　圖3介紹了應用于VLAN 2000的轉(zhuǎn)發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)，它映射至RSTP/MSTP區(qū)域中的MST #2。用于IST和MST #2的根交換機駐留于RSTP/MSTP區(qū)域內(nèi)。MSTI BPDU并未發(fā)送至邊界端口"P4"外，只有IST BPDU是如此。通過在PVST+域所有現(xiàn)用VLAN上復制ISTP BPDU，MST區(qū)域模擬了PVST+鄰居。然后，PVST+域接收IST上發(fā)送的BPDU，并選擇交換機B作為VLAN 2000的根交換機(注：交換機B是IST的根。)

　　如果PVST+域中出現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)變更，在傳統(tǒng)云中生成的相應的拓撲結(jié)構(gòu)變化通知(TCN)BPDI將由IST在MST域中處理，不致影響MST轉(zhuǎn)發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)。為了避免可能導致環(huán)路的錯誤配置，強烈建議為MST域中的PVST+實例(即IST根)配置根交換機。

　　主要定義

　　IEEE 802.1D--IEEE建議，在整個第二層域中定義單一無環(huán)路拓撲結(jié)構(gòu)。由于802.1D無虛擬LAN(VLAN)感知功能，因此轉(zhuǎn)發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)是唯一的，獨立于網(wǎng)絡中現(xiàn)用的VLAN。這種方案從計算開支的角度是可擴展的，但在配置多個VLAN的情況下，無法為冗余鏈接提供負載均衡功能。

　　PVST+--思科生成樹為每個VLAN構(gòu)建了一個不同的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。這種方案通過允許每個VLAN擁有不同的轉(zhuǎn)發(fā)鏈接，實現(xiàn)了負載均衡，但它卻是CPU密集型的--網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)是根據(jù)各個VLAN生成并處理的。

　　CHIARA REGALE是思科城域以太網(wǎng)部的技術(shù)營銷工程師。她主要從事城域以太網(wǎng)領(lǐng)域的解決方案設(shè)計和修正工作。從意大利Politecnico of Turin獲得電信工程理學碩士學位后，Regale加盟Cisco Catalyst 6000生成樹協(xié)議開發(fā)團隊，負責設(shè)計和實施特性，以改進生成樹性能。她的聯(lián)系方式為chiara@cisco.com。有關(guān)一些交換機轉(zhuǎn)發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)的移植策略和樣本配置，請參考Packet Online。

摘自 ChinaByte

上一篇：讓7層為您效力

下一篇：AT89818的10M/100M以太網(wǎng)交換機設(shè)計