ICMP协议
应用
  1. ping 测试网络连通性(request报文、reply报文)

  2. tracert/traceroute
    探测数据转发路径

    Windows:TTL由1逐渐增加,每次经过路由器后TTL减一,当TTL等于0后被丢弃返回(带IP地址),每次丢弃后记录返回值的IP
    Linux:同windows,UDP传输,到达目的后丢弃

STP生成树
前言

为了提高网络可靠性,交换网络中通常会使用冗余链路。然而,冗余链路会给交换网络带来环路风险,并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题,进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP(Spanning Tree Protocol)可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

广播风暴
  • 环路会引起广播风暴。
  • 网络中的主机会收到重复数据帧。

STP-BroadcastStorm1

根据交换机的转发原则,如果交换机从一个端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端口之外的所有其他端口转发。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。
本例中,主机A向外发送了一个单播帧,假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后,将其转发到SWA和SWC,SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口,结果此帧又会被再次转发给SWB,这种循环会一直持续,于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降,并会导致业务中断。

MAC地址表震荡

STP-MACTable

STP-BroadcastStorm2

  • 环路会引起MAC地址表震荡。

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。

主机A向外发送一个单播帧,假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后,在MAC地址表中生成一个MAC地址表项,00-01-02-03-04-AA,对应端口为G0/0/3,并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。

SWA接收到此帧后,由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项,所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。

SWC接收到此帧后,由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项,所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB,也会发给主机B。

SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后,会在MAC地址表中删除原有的相关表项,生成一个新的表项,00-01-02-03-04-AA,对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复,从而导致MAC地址表震荡。

STP的作用
  • STP通过阻塞端口来消除环路,并能够实现链路备份的目的。

STP-DisconnectLink1

在以太网中,二层网络的环路会带来广播风暴,MAC地址表震荡,重复数据帧等问题,为解决交换网络中的环路问题,提出了STP。

STP的主要作用:
消除环路:通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
链路备份:当活动路径发生故障时,激活备份链路,及时恢复网络连通性。


STP的操作
  • 总过程
  1. 选举一个根桥(root)。
  2. 每个非根交换机选举一根端口(RP)。
  3. 每个网段选举一个指定端口(DP)。
  4. 阻塞非根、非指定端口。


  • 根桥的计算过程
    桥ID最小——priority(0~61400、4096的倍数,默认32768)+MAC

    详细介绍:
    STP中根桥的选举依据的是桥ID,STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge 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。优先级最高的设备(桥ID最小)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。 交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下,所有交换机启动时都认为自己是根桥,自己的所有端口都为指定端口,这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后,会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低,接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高,则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段,宣告新的根桥。


  • 根端口的计算过程
    非根桥上开销(cost)最小的端口

    详细介绍:
    非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID(Bridge ID)、对端PID(Port ID)和本端PID。 交换机的每个端口都有一个端口开销(Port Cost)参数,此参数表示该端口发送数据时的开销值,即出端口的开销。STP认为从一个端口接收数据是没有开销的。端口的开销和端口的带宽有关,带宽越高,开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条,每一条路径都有一个总的开销值,此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和,即根路径开销RPC(Root Path Cost)。非根桥根据根路径开销来确定到达根桥的最短路径,并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。 一般情况下,企业网络中会存在多厂商的交换设备,华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准,提供最大程度的兼容性。缺省情况下,华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID,端口ID由端口优先级和端口号构成。端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。缺省情况下,端口优先级是128。端口ID(port ID)可以用来确定端口角色。 每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口,这个最近的衡量标准是靠累计根路径开销来判定的,即累计根路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后,抽取该BPDU报文中累计根路径开销字段的值,加上该端口本身的路径开销即为累计根路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计根路径开销相同,那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。


  • 指定端口(DP)的计算过程
    每条物理链路上开销(cost)最小的端口

    详细介绍:
    在网段上抑制其他端口(无论是自己的还是其他设备的)发送BPDU报文的端口,就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口,根桥的所有端口都是指定端口(除非根桥在物理上存在环路)。 指定端口的选举也是首先比较累计根路径开销,累计根路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计根路径开销相同,则比较端口所在交换机的桥ID,所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计根路径开销和所在桥ID选举不出来,则比较端口ID,端口ID最小的被选举为指定端口。 网络收敛后,只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口,被阻塞,不能转发数据,只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文,并以此来监视链路的状态。


  • 预备端口(AP)的计算过程
    状态为被阻塞的端口

  • 端口的状态

    图中所示为STP的端口状态迁移机制,运行STP协议的设备上端口状态有5种:
    Forwarding:转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文,只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。
    Learning:学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表,但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。
    Listening:侦听状态。端口可以转发BPDU报文,但不能转发用户流量。
    Blocking:阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU,不能转发BPDU,也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
    Disabled:禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文,也不转发用户流量。


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