基于ENSP的STP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張璐璐，麻曉敏，吳麗杰，劉 洋

（1.安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，安徽 合肥230011；2.陸軍炮兵防空兵學(xué)院 基礎(chǔ)部，安徽 合肥230031）

0 前言

隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，越來越多的單位和部門依賴于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作或生活，越來越多的終端需要進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。在有線的環(huán)境中，為了容納這些終端，則要大量使用交換機(jī)，從而使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷膨脹，也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)環(huán)路。

同時，為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性并保證信息的流暢不間斷，在發(fā)生臨時故障時，網(wǎng)絡(luò)需要有相應(yīng)的容錯機(jī)制來避免單點(diǎn)故障。因此在實(shí)際的二層鏈路中會采用鏈路冗余，即交換設(shè)備之間多條鏈路連接，這樣即使一臺交換機(jī)故障了，也可以使用其他交換機(jī)。但是鏈路的冗余備份也會使網(wǎng)絡(luò)存在環(huán)路［1］。

環(huán)路將造成如下問題：廣播風(fēng)暴、MAC地址表不穩(wěn)定、重復(fù)幀拷貝。針對上述問題，STP（Spanning Tree Protocol，生成樹協(xié)議）被設(shè)計(jì)出來。生成樹協(xié)議通過生成本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉浣Y(jié)構(gòu)來產(chǎn)生效用。其具體過程為：通過軟件協(xié)議判斷網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路的位置，通過阻塞冗余鏈路消除橋接網(wǎng)絡(luò)中可能存在的環(huán)路。當(dāng)活動路徑出現(xiàn)故障時，生成樹協(xié)議將激活冗余鏈路以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通［2］?；贓NSP設(shè)計(jì)的STP實(shí)驗(yàn)可以很好的與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，可以在配置的過程中逐步演示環(huán)路問題，簡單STP，加權(quán)STP以及鏈路備份。

1 STP原理

STP是由Sun微系統(tǒng)公司的著名工程師Radia Perlman發(fā)明的，并在IEEE802.1D文檔中被定義，使用這種方法能夠達(dá)到兩層路由的理想境界：冗余和無環(huán)路運(yùn)行。STP是一個二層管理協(xié)議。在一個擴(kuò)展的局域網(wǎng)中參與STP的所有交換機(jī)之間通過交換網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU來消除網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路。這需要確保在主線路正常工作時，備份線路是阻塞的。當(dāng)主線路故障時，則切換備份線路來傳輸數(shù)據(jù)。BPDU（Bridge Protocol Data Unit）是一種獨(dú)特的協(xié)議報(bào)文，它的作用是確定本網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這將通過配置BPDU和拓?fù)渥兏麭PDU來實(shí)現(xiàn)。配置BPDU能夠計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的生成樹，拓?fù)渥兏麭PDU則能夠在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r減小更新時間。

生成樹協(xié)議運(yùn)行生成樹算法（Spanning Tree Algorithm-STA）來構(gòu)造生成樹。STA將冗余鏈路上的交換機(jī)端口設(shè)置為阻塞狀態(tài)，從而消除環(huán)路。若主鏈路出現(xiàn)故障，則相應(yīng)端口的可以由阻塞狀態(tài)激活為活動狀態(tài)，保障網(wǎng)絡(luò)的連通狀態(tài)［3-4］。

其過程可以歸納為以下步驟：

（1）選擇根交換機(jī)：為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)選擇一個根交換機(jī)。依據(jù)是優(yōu)先級和交換機(jī)MAC地址，即交換機(jī)ID，其值小的為根交換機(jī)。優(yōu)先級默認(rèn)為32768，并可根據(jù)需要自行設(shè)置。當(dāng)交換機(jī)優(yōu)先級相同時，其MAC地址小的為根交換機(jī)。

（2）選擇根端口：為每個交換機(jī)（根交換機(jī)除外）選擇一個根端口。選擇依據(jù)為：到根交換機(jī)最低的根路徑成本，發(fā)送BPDU的交換機(jī)ID，端口優(yōu)先級，端口編號。即，首先比較各個端口到根交換機(jī)的路徑成本，最低的為根端口；若相同，則比較發(fā)送BPDU經(jīng)由的交換機(jī)ID，較小的為根端口；若相同，則比較端口優(yōu)先級，最小的為根端口；若相同，則比較端口編號，最小的為根端口。

（3）選擇指定端口：為每個網(wǎng)段選擇一個指定端口。其中因根交換機(jī)的端口的根路徑成本均為0，所以根交換機(jī)上的所有端口均為指定端口，而且根端口不能再用作指定端口。指定端口的選擇依據(jù)為：根路徑成本，發(fā)送BPDU的交換機(jī)的ID值，端口的ID值（端口優(yōu)先級和端口編號）。即，首先比較網(wǎng)段兩端的端口到根交換機(jī)的路徑成本，較低的為指定端口；若相同，則比較發(fā)送BPDU的交換機(jī)ID，值較小的為指定端口；若相同，則比較端口的ID，值較小的為指定端口。

（4）將冗余鏈路上的交換機(jī)設(shè)置為Blocking，用以消除網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，形成一棵完整的樹。

2 STP實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)現(xiàn)環(huán)境

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)模擬器ENSP（Enterprise NetworkSimulation Platform）是一款華為提供圖形化網(wǎng)絡(luò)仿真工具。ENSP能完美呈現(xiàn)真實(shí)設(shè)備實(shí)景（包括華為最新的ARG3路由器和X7系列的交換機(jī)），不僅可以模擬單臺路由器和交換機(jī)的特性操作；且可橋接到物理網(wǎng)卡，模擬接口抓包，直觀展示協(xié)議交互過程；還能夠組成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演練，是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和實(shí)施前測試的利器。

2.2 項(xiàng)目背景

實(shí)驗(yàn)以某公司為例，實(shí)現(xiàn)該公司網(wǎng)絡(luò)升級，將原有網(wǎng)絡(luò)延展到各個部門。但是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，一個簡單的故障就會造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。因此技術(shù)改造的目標(biāo)是：提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，確保信息的順暢不斷。即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備或鏈路發(fā)生臨時故障時，要有相應(yīng)的容錯機(jī)制，以避免單點(diǎn)故障。為此，可通過使用多條鏈路，多臺設(shè)備或兩者結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)冗余拓?fù)?，但與此同時我們需考慮冗余鏈路的不利影響。例如本實(shí)驗(yàn)即為使用STP化解相應(yīng)的環(huán)路問題。實(shí)驗(yàn)簡化模擬系統(tǒng)線路，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪?臺服務(wù)器SERVER1，3臺終端CLIENT1-CLIENT3和4臺二層交換機(jī)SW1-SW4，各設(shè)備的接口及簡要信息如拓?fù)鋱D所示［5-6］。

為了滿足所有設(shè)備組成局域網(wǎng)并相互連通，具備高可靠性的要求，將4臺交換機(jī)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，建立冗余鏈路。此方案能確保當(dāng)隨機(jī)鏈路發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)的連通性不受影響，同時網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯性能；該方案的不足之處為：多臺交換機(jī)設(shè)置復(fù)雜并且容易引發(fā)環(huán)路問題。本文主要分析了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引入并介紹了環(huán)路引發(fā)的不利影響，介紹并演示STP的工作原理，熟悉基于STP的交換機(jī)設(shè)置，逐步實(shí)現(xiàn)環(huán)路問題，簡單STP，加權(quán)STP以及鏈路備份的過程仿真。本實(shí)驗(yàn)不考慮VLAN的因素，服務(wù)器及三臺終端的ip地址信息如表1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表1 設(shè)備地址分配表

2.3 環(huán)路問題演示

交換機(jī)所引起的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路屬于第二層環(huán)路。環(huán)路的形成都是由于目的路徑不明確導(dǎo)致混亂而造成的。交換機(jī)用與處理單播幀不同的方式處理廣播幀。由于所有的工作站都可以接收廣播幀，因此交換機(jī)通常將其從入站端口外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。又因?yàn)閺V播地址不能用作源地址，交換機(jī)無法獲知廣播地址。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的每臺交換機(jī)都無休止地泛洪廣播幀時，便產(chǎn)生了廣播風(fēng)暴，也為環(huán)路的惡性影響之一。當(dāng)廣播幀充斥網(wǎng)絡(luò)無法處理，并占用大量帶寬，導(dǎo)致正常數(shù)據(jù)不能被處理，直至網(wǎng)絡(luò)被中斷，這就是廣播風(fēng)暴（broadcast storm）［7］的發(fā)生過程。廣播風(fēng)暴還可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和服務(wù)器忙于處理所有的廣播幀而無暇顧及其他。

圖2 交換機(jī)SW2的G0/0/2端口抓包結(jié)果

因?yàn)槿A為設(shè)備的STP協(xié)議是默認(rèn)開啟，首先，我們搭建好拓?fù)洵h(huán)境，分別關(guān)閉交換機(jī)的STP功能，為大家演示交換機(jī)環(huán)路問題帶來的影響。以SW1為例，依次對SW1-SW4進(jìn)行配置：

［SW1］undo stp enable//關(guān)閉交換機(jī)STP協(xié)議

在四個交換機(jī)的任何一個接口上抓包都可以看到，圖2以SW2的g0/0/2為例，可以看到ARP廣播很多，即發(fā)生了廣播風(fēng)暴；同時可以看到很多重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。

2.4 簡單STP演示

為了了解STP協(xié)議根橋的根橋選舉原理，跟端口選舉原理，指定端口選舉原理，將對STP做基本配置的演示。以SW1為例，依次對SW1-SW4進(jìn)行配置：

［SW1］stp mode stp//開啟交換機(jī)STP協(xié)議，并將協(xié)議模式修改為STP

［SW1］display stp//待網(wǎng)絡(luò)完全收斂以后，查詢當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的stp狀態(tài)

［SW1］display stp briefe//查詢端口狀態(tài)

從命令執(zhí)行后，顯示的數(shù)據(jù)中可以看到，SW2作根交換機(jī)，SW3的E0/0/2端口、SW4的E0/0/1端口被阻塞，和依據(jù)STA算法得到的數(shù)據(jù)完全相符，算法得到了驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)如圖3所示：

圖3 簡單STP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)分析如下：

選舉根橋：拓?fù)渲?，交換機(jī)的優(yōu)先級別未設(shè)置，同為默認(rèn)值32768。設(shè)備的橋ID大小依次為SW4＞SW3＞SW1＞SW2，所以網(wǎng)絡(luò)收斂后，SW2為根橋。

選舉根端口：因?yàn)槲丛O(shè)置端口開銷值，到根網(wǎng)橋最低的根路徑成本，可簡化為距離的比較。所以每個非根橋交換機(jī)的根端口分別為SW1的E0/0/1，SW3的E0/0/3，SW4的E0/0/2端口。

選舉指定端口：因?yàn)楦W(wǎng)橋的接口皆為指定端口，所以SW1-SW2網(wǎng)段，SW2的E0/0/1端口為指定端口；SW2-SW3網(wǎng)段，SW2的E0/0/3端口為指定端口；SW2-SW4網(wǎng)段，SW2的E0/0/2口為指定端口；對于SW1-SW3網(wǎng)段，端口到達(dá)根橋的開銷值相同，但是SW1的橋ID小，所以SW1的E0/0/2網(wǎng)段為指定端口；SW3-SW4網(wǎng)段，端口到達(dá)根橋的開銷值相同，但是SW3的橋ID小，所以SW3的E0/0/1端口為指定端口。

因此SW3的E0/0/2，SW4的E0/0/1端口被阻塞，和圖3完全相符。

2.5 加權(quán)STP演示

根交換機(jī)一般是由交換機(jī)ID的數(shù)值大小來確定，通常在優(yōu)先級相同的情況下，ID值最小的為根交換機(jī)。在默認(rèn)情況下，交換機(jī)的優(yōu)先級都是32768，若需人為指定某臺特定交換機(jī)為根交換機(jī)，則可以通過修改優(yōu)先級來實(shí)現(xiàn)。若需設(shè)置某條特定鏈路的狀態(tài)，則可以通過修改相應(yīng)端口的權(quán)值來實(shí)現(xiàn)。如進(jìn)入端口使用stp cost命令來修改cost值。默認(rèn)情況下，STP機(jī)制是根據(jù)鏈路的速率來定義此端口的權(quán)值，速率越大權(quán)值越小。

為了深入了解STP協(xié)議，指定端口與根端口選舉條件，學(xué)習(xí)交換機(jī)優(yōu)先級，交換機(jī)端口開銷值對STP的影響，將對STP做加權(quán)配置的演示。各交換機(jī)的加權(quán)值如表2所示；

表2 設(shè)備權(quán)值分配表

以SW1為例，依次對SW1-SW4進(jìn)行配置：

［SW1］stp priority 4096//將SW1的優(yōu)先級修改為4096

［SW1］interface e0/0/0/1//進(jìn)入 SW1的 e0/0/0/1端口

［SW1-Ethernet0/0/0/1］stp cost 10//配置該端口開銷值為10

［SW1］interface e0/0/0/2//進(jìn)入 SW1的 e0/0/0/2端口

［SW1-Ethernet0/0/0/2］stp cost 90//配置該端口開銷值為90

［SW1-Ethernet0/0/0/2］quit//退出端口配置模式

［SW1］display stp//待網(wǎng)絡(luò)完全收斂以后，查詢當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的stp狀態(tài)

［SW1］display stp briefe//查詢端口狀態(tài)

從命令執(zhí)行后，顯示的數(shù)據(jù)中可以看到，SW1作根交換機(jī)，SW2的E0/0/1端口、SW4的E0/0/1端口被阻塞，和依據(jù)STA算法得到的數(shù)據(jù)完全相符，算法得到了驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)如圖4所示。

數(shù)據(jù)分析如下：

選舉根橋：拓?fù)渲?，設(shè)備的橋優(yōu)先級大小依次為SW4＞SW3＞SW2＞SW1，所以網(wǎng)絡(luò)收斂后，SW1為根橋。

選舉根端口：SW2中，端口E0/0/1，E0/0/2，E0/0/3到達(dá)根橋SW1的開銷值分別為：100，10+10，100+100+10，因此SW2的E0/0/2為根端口；SW3中，端口E0/0/1，E0/0/2，E0/0/3到達(dá)SW1的開銷值分別為：10+10+10+10，10，10+100，因此 SW3的 E0/0/2為根端口；SW4中，端口 E0/0/1，E0/0/2到達(dá)SW1的開銷值分別為：100+10，10+10，因此SW4的E0/0/2為根端口；

選舉指定端口：因?yàn)楦W(wǎng)橋的接口皆為指定端口，所以SW1-SW2網(wǎng)段，SW1的E0/0/1端口為指定端口；SW1-SW3網(wǎng)段，SW1的E0/0/2端口為指定端口；對于SW2-SW3網(wǎng)段，SW2的E0/0/3，SW3的E0/0/3到根橋的開銷值分別為：10+100，10+100，因此SW3的E0/0/3為指定端口；對于SW2-SW4網(wǎng)段，SW2的E0/0/2，SW4的E0/0/2到根橋的開銷值分別為：100+10+10，10+100+10，但由于SW4的E0/0/2以作為根端口了，所以SW2的E0/0/2為指定端口。對于SW3-SW4網(wǎng)段，SW3的E0/0/1，SW4的E0/0/1到根橋的開銷值分別為：10+10+10，100+10，因此SW3的E0/0/1為指定端口；

因此SW2的E0/0/1，SW4的E0/0/1端口被阻塞，和圖4完全相符。

圖4 加權(quán)STP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖5 重新生成STP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.6 鏈路備份演示

交換機(jī)或鏈路故障導(dǎo)致拓?fù)浒l(fā)生變化時，生成樹將調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢⒆枞亩丝谇袚Q到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)以確保連接性。當(dāng)交換機(jī)某個端口變成轉(zhuǎn)發(fā)或者阻塞狀態(tài)時，意味關(guān)STP拓?fù)浒l(fā)生了變化，而交換機(jī)通過根端口發(fā)TCN-BPDU來告知拓?fù)涞淖兓?，這一BPDU不包括實(shí)際變更的內(nèi)容，只告知拓?fù)涞淖兏＜偃缃粨Q機(jī)某個端口上檢測鏈路故障，隨后向根端口發(fā)送TCN給根橋，根橋收到TCN后，會將拓?fù)渥兓ㄖo其它交換機(jī)［8-9］。

如果實(shí)驗(yàn)拓?fù)渲墟溌稴W2的E0/0/3至SW3的E0/0/3發(fā)生故障，比如SW3的E0/0/3端口故障了的話，則SW3就會通過根端口就是E0/0/2發(fā)送TCN給根橋SW1告知拓?fù)涞淖兓?，根橋在告知其它交換機(jī)。重新生成的STP如圖5所示。

3 結(jié)語

STP是解決環(huán)路問題的有效方式。本文通過設(shè)計(jì)和演示環(huán)路問題的危害，STP的生成過程，加權(quán)STP的生成過程以及拓?fù)涓淖兒?，STP的變化，詳細(xì)說明了STP的原理，生成步驟。但是STP仍有如下需要改進(jìn)的地方：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時，生成樹協(xié)議需要兩倍的Forword Delay（傳輸時延：指交換機(jī)的端口狀態(tài)遷移所用的時間）才能完成整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重新達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，一般約為50-52秒，即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫諗克俣嚷?；不能提供?fù)載均衡，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路時，STP直接將環(huán)路進(jìn)行阻塞，則冗余鏈路不能傳輸數(shù)據(jù)，從而造成鏈路資源的浪費(fèi)；如果網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化頻繁，網(wǎng)絡(luò)會頻繁地失去連通性，這樣用戶就會無法忍受［10］。這些將通過后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究，如RSTP，MSTP可以應(yīng)用在更為復(fù)雜的跨vlan環(huán)境中，以及MSTP的融合。