生成树协议

十二惊惶

发布于 2024-02-28 20:48:24

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发布于 2024-02-28 20:48:24

文章被收录于专栏：十二惊惶的网络安全研究记录

生成树协议

[TOC]

生成树技术概述：

前言

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

运行STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个接口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)协议：快速生成树协议，基于STP协议，实现了网络拓扑快速收敛

二层交换机网络的冗余性与环路:

交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

在现实中，除了冗余链路会引起环路，还有一些人为错误导致的环路

问题一：广播风暴:

如果交换机从一个接口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源接口之外的所有其他接口转发。

如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧

问题二：MAC地址表漂移

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收接口生成MAC地址表项的。

如图，SW3收到一个广播帧泛洪，SW1从GE0/0/1接口接收到广播帧后学习且泛洪，形成MAC地址5489-98EE-788A与GE0/0/1的映射；SW2收到广播帧后学习且泛洪，SW1再次从GE0/0/2收到源MAC地址为5489-98EE-788A的广播帧并进行学习，5489-98EE-788A会不断地在GE0/0/1与GE0/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。

在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路

交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案

环路类别：

常见环路主要分为二层环路和三层环路。

二层环路主要因为网络中部署了二层冗余环境，或人为的误接线缆导致，可以通过借助特定的协议或机制实现二层防环；
三层环路主要因为路由环路，可以通过动态路由协议防环和IP报文头部中的TTL字段用于防止报文被无止尽地转发

STP的基本概念及工作原理

选举一个根桥
每个非根交换机选举一个根接口
每个网段选举一个指定接口
阻塞非根、非指定接口

每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥。

根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部，是STP网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种信息被称为BPDU。

STP中定义了三种接口角色：指定接口，根接口和预备接口

指定接口是交换机向所连网段转发配置BPDU的接口，每个网段有且只能有一个指定接口。一般情况下，根桥的每个接口总是指定接口。
根接口是非根交换机去往根桥路径最优的接口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根接口，但根桥上没有根接口。
如果一个接口既不是指定接口也不是根接口，则此接口为预备接口。预备接口将被阻塞。

STP的基本概念：

桥ID（Bridge ID，BID）

IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成。

在STP中，每一台交换机都有一个标示符叫做Bridge ID或者桥ID，桥ID由16位的桥优先级（Bridge-Priority）和48位的MAC地址构成
在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768
- 可以修改，但是取值必须为4096的倍数。
优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥
- 如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先

根桥（Root Bridge）

STP引入了根桥（Root Bridge）

对于一个STP网络，全网中只有一个根桥，是整个网络的逻辑中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化

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，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定

开销（Cost）

每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销

接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。接口带宽越大，则Cost值越小。用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost

根路径开销（Root Path Cost）

一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加

非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC，并生成无环树状网络

根桥的根路径开销是0

接口ID（Port ID，PID）

运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号。激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。在华为交换机上，该值为128。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）

BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。 STP交换机之间会交互BPDU报文，这些BPDU报文携带着一些重要信息，正是基于这些信息，STP才能够顺利工作。 BPDU分为两种类型：

配置BPDU（Configuration BPDU）
TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）

配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键；TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发。

配置BPDU的报文格式:

字节	字段	描述
2	PID	协议ID ，对于STP而言，该字段的值总为0
1	PVI	协议版本ID，对于STP而言，该字段的值总为0
1	BPDU Type	指示本BPDU的类型，若值为0x00，则表示本报文为配置BPDU；若值为0x80，则为TCN BPDU
1	Flags	标志，STP只使用了该字段的最高及最低两个比特位，最低位是TC（Topology Change，拓扑变更）标志，最高位是TCA（Topology Change Acknowledgment，拓扑变更确认）标志
8	Root ID	根网桥的桥ID
4	RPC	根路径开销，到达根桥的STP Cost
8	Bridge ID	BPDU发送桥的ID
2	Port ID	BPDU发送网桥的接口ID（优先级+接口号）
2	MessageAge	消息寿命，从根网桥发出BPDU之后的秒数，每经过一个网桥都加1，所以它本质上是到达根桥的跳数
2	Max Age	最大寿命，当一段时间未收到任何BPDU，生存期到达最大寿命时，网桥认为该接口连接的链路发生故障。默认20s
2	Hello Time	根网桥连续发送的BPDU之间的时间间隔，默认2s
2	Forward Delay	转发延迟，在侦听和学习状态所停留的时间间隔，默认15s

计时器：

STP协议中包含一些重要的时间参数

Hello Time是指运行STP协议的设备发送配
置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效
Message Age:如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。否则，Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1
Max Age是指BPDU报文的老化时间,可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。

配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age都加1。如果Message Age大于Max Age，非根桥会丢弃该配置BPDU。

STP的基础配置

配置生成树工作模式：

[Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }

交换机支持STP、RSTP和MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）三种生成树工作模式，默认情况工作在MSTP模式。

配置根桥和备份根桥：

[Huawei] stp root primary 
//配置当前设备为根桥，缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。
[Huawei] stp root secondary
//配置当前交换机为备份根桥，缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级。

配置交换机的STP优先级：

[Huawei] stp priority priority []
# 缺省情况下，交换机的优先级取值是32768

配置接口路径开销:

[Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }
#配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t标准方法。
#同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法。
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost
设置当前接口的路径开销值。

配置接口优先级:

[Huawei-intf] stp priority priority

配置接口的优先级。缺省情况下，交换机接口的优先级取值是128。

启用STP/RSTP/MSTP

[Huawei] stp enable

使能交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，设备的STP/RSTP/MSTP功能处于启用状态。

RSTP对STP的改进

IEEE于2001年发布的802.1w标准定义了快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning-Tree Protocol），RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。

RSTP（快速生成树）是从STP演化而来的，基本思想一样；当交换网络拓扑结构发生变化时， RSTP可以通过Proposal/Agreement机制更快地恢复网络的连通性。

根据STP的不足，RSTP删除了3种接口状态，新增加了2种接口角色，并且把接口属性充分的按照状态和角色解耦；此外，RSTP还增加了相应的一些增强特性和保护措施，实现网络的稳定和快速收敛。

RSTP是可以向下兼容STP的，但不推荐这样的做，RSTP会失去其快速收敛的优势，而STP慢速收敛的缺点会暴露出来。

RSTP对STP的其他改进:

配置BPDU的处理发生变化：

拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式进行了优化；
使用更短的BPDU超时计时；
对处理次等BPDU的方式进行了优化；

配置BPDU格式的改变，充分利用了STP协议报文中的Flag字段，明确了接口角色。

RSTP拓扑变化处理：相比于STP进行了优化，加速针对拓扑变更的反应速度。

接口角色不同

从配置BPDU报文发送角度来看：
- 预备（Alternate）接口就是由于学习到其它网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的接口
- 备份（Backup）接口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的接口
从用户流量角度来看：
- Alternate接口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根接口的备份接口
- Backup接口作为指定接口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路

通过接口角色的增补，简化了生成树协议的理解及部署

边缘接口:

如果指定接口位于整个域的边缘，不再与任何交换设备连接，这种接口叫做边缘接口。

边缘接口一般与用户终端设备直接连接，不与任何交换设备连接。边缘接口正常情况下接收不到配置BPDU报文，不参与RSTP运算，可以由Disabled状态直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在接口上将STP禁用了一样。但是，一旦边缘接口收到配置BPDU报文，就丧失了边缘接口属性，成为普通STP接口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡

接口状态不同

RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为3种 STP接口状态 RSTP接口状态接口在拓扑中的角色 Forwarding Forwarding 包括根接口、指定接口 Learning Learning 包括根接口、指定接口 Listening Discarding 包括根接口、指定接口 Blocking Discarding 包括Alternate接口、Backup接口 Disabled Discarding 包括Disable接口
- 如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么接口状态就是Discarding状态
- 如果不转发用户流量但是学习MAC地址，那么接口状态就是Learning状态
- 如果既转发用户流量又学习MAC地址，那么接口状态就是Forwarding状态

生成树技术进阶

STP/RSTP的缺陷

所有的VLAN共享一棵生成树

由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，链路被阻塞后将不承载任何流量，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发

VBST：基于VLAN的生成树

VBST（VLAN-Based Spanning Tree）生成树解决方案。该解决方案中，生成树的形成是基于VLAN的，不同VLAN间可形成相互独立的生成树，不同VLAN内的流量沿着各自的生成树转发，进而可实现流量的负载分担，有效地提高了链路带宽的利用率；消除了网络中可能存在的通信环路；配置和维护简单，可降低配置和维护成本。但如果网络中VLAN的数量较多，为每个VLAN执行独立的生成树计算将耗费交换机大量的资源。