[系统运维]单点故障解决方案介绍smart link/monitor link /stp

以太网单点故障

两台设备只有一条线路用以连接通信，没有备份路径。

单点故障解决方案之Smart Link

添加冗余的线路和设备

单设备“链路备份”方案

• Smart Link
  • 在实现链路备份的设备上，使用Smart Link技术，创建Smart Link组，在该组中，加入两个端口，其中一个端口是主端口，也称之为Master端口。另外1个端口是备份端口，也称之为SLave端口
• Smart Link端口状态
  • Master端口，一直处于活动/转发状态，转发数据
  • Slave端口，一直处于非活动/阻塞状态，不转发数据‘

Smart Link之链路正常

• Master 端口
  • SWD会将终端设备收到的数据，直接在Master端口发送出去。
• Slave端口smart Link组的Slave端口。当Master端口
  • SWD的interface 2 是属于smart Link组的Slave端口。当Master端口处于active状态时，Slave端口一直处于阻塞状态，不转发数据。

Smart Link之链路故障

• Master 端口
  • 该端口故障后，立刻停止发送数据
• Slave端口smart Link组的Slave端口。当Master端口
  • 属于同一个smart Link组的Slave端口。一旦发现Master端口故障，Slave端口会立刻切换为“active”状态，开始转发数据。

Smart Link的基础配置命令

1.关闭端口的STP
int g0/0/1
stp disable 
quit
int g0/0/2
stp disable 
quit
2.创建Smart Link组，指定端口角色，并开启SMart Link功能
smart-link group 1
port GigabitEthernet 0/0/1 master 
port GigabitEthernet 0/0/1 slave
smart-link enable

案例：配置Smart Link主备链路

实验拓扑

SW1
system-view
vlan 10
port-group group-member g0/0/13 g0/0/14
port link trunk
port trunk allow-pass vlan all
quit
int g0/0/1
port link access
port default vlan 10

SW2
system-view
vlan 10
port-group group-member g0/0/23 g0/0/24
port link trunk
port trunk allow-pass vlan all
quit
int g0/0/1
port link access
port default vlan 10
int g0/0/23
stp disable
quit
int g0/0/24
stp disable
quit
smart-link group 1
port GigabitEthernet 0/0/23 master 
port GigabitEthernet 0/0/24 slave
smart-link enable

SW3
system-view
vlan 10
port-group group-member g0/0/13 g0/0/23
port link trunk
port trunk allow-pass vlan all

SW4
system-view
vlan 10
port-group group-member g0/0/14 g0/0/24
port link trunk
port trunk allow-pass vlan all

使用抓包查看23端口

可以看到数据的传输

在抓包24端口，因为24端口是slave所以数据不会经过24端口

总结：

• Smart Link 是一种交换机上使用的二层交换技术
• Smart Link 可以实现交换机的多端口之间的备份
• Smart Link 组中最多只能包含2个接口
• Smart Link的master端口发送数据，Slave 端口作为备份链路

单点故障解决方案之Monitor Link

Monitor Link的基本概念

• Monitor Link组
  • Monitor Link组也称之为“监控链路组”，由上行端口和下行端口共同组成，下行端口的状态，随着上行端口的状态的变化而发生变化
• 上行端口
  • 也称之为Uplink端口，是指那些被监控的链路，如果上行端口出现故障，则表示Monitor Link组故障，此时的下行端口的状态会立刻强制性的设置为DOWN
• 下行端口
  • 也称之为Downlink接口，是指Monitor Link组中的“监控者”。下行端口的状态不影响上行端口以及其他的下行端口的状态

应用场景

Monitor Link的基础配置命令

1.创建Monitor Link 的基础配置命令
monitor-link group 1
port g0/0/1 uplink 1   #上行链路只能有一个
port g0/0/3 downlink 1   #下行链路可以有多个

案例：配置Monitor Link 和Smart Link级联

实验拓扑

实验拓扑使用上面的Smart Link的实验拓扑，本次实验继续在上次的拓扑和配置之上继续完成
SW3
monitor-link group 1
port g0/0/13 uplink 
port g0/0/23 downlink 
在SW3上关闭端口，SW2流量就会走备份链路，因为master的特性，并不会自动切换，需要配置
smart-link group 1
restore enable  #开启自动切换
timer wtr 30   #切换时间为30s

总结：

• Monitor Link可以实现多个端口之间的互相监控
• Monitor Link技术通常是需要和其他的技术结合使用，比如与Smart Link配合

单点故障解决方案之STP

STP的协议详解，请点击STP思维导图

STP技术概述

在一个二层交换网络中，生成一棵树型结构，逻辑的阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径；当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用；

技术产生背景：二层交换机网络的冗余性与环路

人为错误导致的二层环路

二层环路带来的问题：广播风暴，MAC地址漂移


BUM帧：指定广播、未知单播及组播帧。

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接口进行阻塞，从而打破环路

生成树能动态相应网络拓扑变化调整阻塞接口

STP概述总结：

• STP是一个用于局域网中消除环路的协议。
• 运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路
• STP在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。
• 由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。

STP的基本概念：桥ID(BID)

• IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级与桥MAC地址构成
• 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID
• ＢＩＤ桥优先级占据高16ｂｉｔ，其余的低48ｂｉｔ是桥MAC地址
• 在STP网络中，BiD最小的设备会被选举位根桥

STP的基本概念：根桥

• STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的树

• 根桥是一个STP交换网络中的“树根”

• STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的树根

• 在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。

  在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小则越优先，拥有最小优先级值得交换机会成为根桥；如果优先级相等，那麽在比较MAC地址，则拥有最小MAC地址得交换机会成为更网桥

STP的基本概念：Ｃｏｓｔ

• 每一个激活了STP得接口都维护着一个Cost值，接口得Ｃｏｓｔ主要用于计算根路径开销，也就是到达根得开销
• 接口得缺省ｃｏｓｔ除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用得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得Ｃｏｓｔ

STP的基本概念：Ｃｏｓｔ计算方法

STP的基本概念：ＲＰＣ（根路径开销）

• 在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是丈量交换机某个接口到根网桥的成本，即RPC
• 一台设备从某个接口到达根网桥的RPC等于从根网桥到达该设备沿途所有入方向接口的Ｃｏｓｔ累加
• 在本例中，ＳＷ3从Ｇ0／０／１接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost

STP的基本概念：Port　ID

• 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4ｂｉｔ是接口优先级，低12ｂｉｔ是接口编号
• 激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，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

STP的基本概念：ＢＰＤＵ

• ＢＰＤＵ是STP能够正常工作的根本，ＢＰＤＵ是STP的协议报文

• STP交换机之间会交互的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

  • TCN 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触发

配置BPDU的报文格式

配置BPDU的比较原则

STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU

1. 最小的根桥ID
2. 最小的RPC
3. 最小的网桥ID
4. 最小的接口ID

配置BPDU的转发过程

路径开销：根交换机到非根交换机所有入接口的开销加一起

STP的计算过程：

选举网桥

• STP在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU，配置BPDU中包含交换机自己的桥ID
• 网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥
• 在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥
• 根桥的角色是可以抢占的
• 为了确保交换网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0

选举根接口

• 每一台非根交换机都会在自己的接口中选举出一个接口。
• 非根桥交换机有且只会有一个根接口
• 当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU的接口。
• 可以形象的理解为：根接口是每台非根桥上朝向根桥的接口

选举指定接口

• 根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较

  如果前者更优，则该接口为指定接口

  如果后者更优，则该接口为非指定接口

• 一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口

阻塞非指定端口

• 一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被称为非指定接口
• STP操作的最后一步是阻塞网络总的非指定接口。这一步完成后，网络中的二层环路就此消除

案例：

确定各个角色

根交换机：ＳＷ１，优先级一样都为4096，然后比MAC地址，MAC地址SW1最小，所以根桥为SW1

根端口：在非根网桥上，SW2的根端口为g0/0/1,sw3的根端口为g0/0/1

指定接口：SW2 g0/0/2,sw1 g0/0/0 g0/0/1

阻塞端口：SW3 g0/0/1

根交换机：ＳＷ１

根端口：SW2的根端口为g0/0/1,sw3的根端口为g0/0/2,对于SW4而言，SW2和SW3的距离都相等，这时需要对比MAC地址，所以SW4的根端口为g0/0/1

指定接口：SW2 g0/0/2 sw3 g0/0/1,sw4g0/0/1,sw1 g0/0/0 g0/0/1

阻塞端口：SW4 g0/0/2

这种情况在判断接口的时候使用port的值比大小，

根交换机：SW1

根端口：SW2 g0/0/1

指定端口：SW1 g0/0/1 g0/0/2

阻塞端口： sw2 g0/0/2

STP的接口状态

STP的接口状态迁移

拓扑变化——根桥故障

拓扑变化——直连链路故障

拓扑变化——非直连链路故障

SW3用20s确定根交换机是否还存在，20s之后给SW2发送BPDU，SW2，重新侦听学习共30s

拓扑改变导致MAC地址表错误

解决方案：TCN BPDU

收到TCN BPDN之后，把老化时间由300s优化到15s

STP的常用基本配置

1.配置生成树工作模式
stp mode stp| rstp|mstp
交换机支持stp、rstp、mstp 默认为mstp
2.配置根桥
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。
3.备份根桥
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。
4.配置交换机的STP优先级
stp priority priority
缺省情况下，交换机的优先级取值为32768
5.配置接口路径开销
stp pathcost-standard ?
  dot1d-1998  IEEE 802.1D-1998
  dot1t       IEEE 802.1T
  legacy      Legacy
配置接口路径开销计算方式。缺省情况下，路径开销值得计算方法为IEEE 802.1t（dotlt）标准方法
sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost cost
设置当前接口得路径开销值
6.配置接口优先级
stp priority  priority
配置接口得优先级。缺省情况下，交换机接口得优先级取值为128
7.启用STP
stp enable
使能交换机得stp/rstp/mstp功能。缺省情况下，设备得stp/rstp/mstp功能处于启用状态。

案例：

SW1
stp mode stp
stp enable
stp priority 0
SW2
stp mode stp
stp enable
stp priority 4096
SW3
stp mode stp
stp enable

查看STP接口状态摘要

总结：

交换网络存在冗余链路，有可能会出现环路，导致广播风暴和MAC地址表翻滚

STP协议是二层交换网络的防环协议

STP协议中的交换机分为根交换机和非根交换机

STP协议的端口分为根端口、指定端口、非指定端口

STP的端口的状态分为禁用、侦听、学习、转发、阻塞

STP的协议报文时BPDU，分为两种类型：配置BPDU和TCN BPDU