STP生成树协议笔记之(三)：协议报文的抓包解析

本文转载自查看原文 2021-04-07 14:52 1038 数据链路层/ 网络

STP生成树协议笔记之(三) : 协议报文的抓包解析

　　为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。

BPDU的类型

　　BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。

　　配置BPDU描述本设备的配置信息，包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机,以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。

　　TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

STP帧格式

字段内容	说明
Protocol Identifier	协议ID＝“0”
Protocol Version Identifier	协议版本标识符，STP为0，RSTP为2，MSTP为3。
BPDU Type	BPDU类型，MSTP为0x02。 0x00：STP的Configuration BPDU 0x80：STP的TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU） 0x02：RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU）或者MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）
Flags	对于“标记域”（Flags），第一个bit（左边、高位bit）表示“TCA（拓扑改变响应）”，最后一个bit（右边、低位bit）表示“TC（拓扑改变）”。
Root Identifier	根桥的桥ID。网桥ID都是8个字节——前两个字节是网桥优先级，后6个字节是网桥MAC地址。
Root Path Cost	根路径开销，本端口累计到根桥的开销。
Bridge Identifier	发送者的桥ID，本交换机的桥ID。
Port Identifier	发送端口的PID，发送该BPDU的端口ID。
Message Age	配置BPDU在网络中传播的生存期。
Max Age	配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
Hello Time	配置BPDU发送的周期（发送两个相邻BPDU间的时间间隔）。
Forward Delay	端口状态迁移的延时（控制Listening和Learning状态的持续时间）。

抓包分析BPDU数据包内容

　　实验的拓扑图如上。一开始，所有的交换机都会认为自己是根桥，自己的所有端口都是指定端口，参与转发配置BPDU报文。

　　图中红框内的是一些STP协议比较重要的时间参数：

　　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。默认的Hello Time的值是2秒。

　　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。默认的Max Age值是20秒。

　 Forward Delay：当拓扑发生变化，新的配置消息要经过一定的时延才能传播到整个网络，这个时延称为Forward Delay，一般指从listening状态到learning状态，或是从leaning状态到Forwarding状态所需要的时间，协议默认的Forward Delay值是15秒。

（1）通过抓包点A（LSW4的G0/0/2端口）可知，此时LSW4默认认为自己是根桥，所以发送的BPDU中Root Identifier填写的是自己的桥ID，Root Path Cost（根路径开销）填的是0，Message Age中填的也是0。接着将这个BPDU发送给LSW2。其余的交换机也会重复这个操作。

（2）LSW2接收到LSW4的BPDU报文，查看报文中的Root Identifier字段，发现该报文优先级被他本身要高，所以将自己的BPDU报文中的Root Identifier字段从自身改为LSW4的桥ID，Message Time加一，同时计算根路径开销（端口开销默认为20000），再发给其他交换机。如图为抓包点B（LSW2的G0/0/12）的报文截图。

（3）等到所有的交换机都完成了选举，进入稳定的状态，则只会身为根桥的LSW4会每隔Hello Time时间发送配置一次配置BPDU，告知整个STP网络根桥正常运行。

如果拓扑发生了变化（如根桥故障，链路故障等），STP又是如何感知到且作出改变的呢？

STP拓扑发生变化时的处理方式

　　情况一：根桥故障

　　在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒，约为10次Hello Time默认值的时间），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

　　需要：Max Age + 2*Forward Delay = 50 秒

　　验证：根桥已经重新选举为LSW1

　　情况二：直连链路故障

　　此例中，LSW1和LSW3使用了两条链路互连，其中一条是主用链路，另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后，如果检测到LSW1的根端口（G0/0/15）链路发生物理故障，则其会按照STP协议规则重新选举根端口，则其Alternate端口（G0/0/8）会迁移到Listening、 Learning、Forwarding状态，经过2倍的Forward Delay后恢复到转发状态。

　　需要： 2*Forward Delay = 30 秒

　　验证：LSW1的根端口已重新选举为G0/0/8

　　情况三：非直连链路故障

　　如上图，根桥交换机LSW4与LSW3之间的链路发生了某种故障（非物理层故障），LSW3因此在Max Age时间内收不到来自LSW4的BPDU，则自己作为新的根桥开始发送BPDU。LSW2也会继续从原根桥LSW4接收BPDU报文，因此会忽略LSW3发送的BPDU报文。

　　由于LSW2的预备端口（Alternate）端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，LSW2会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给LSW3。LSW3在收到优先级比自己高的BPDU报文后，放弃宣称自己是根桥并开始收敛端口为根端口。非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。

　　需要：Max Age + 2*Forward Delay = 50 秒

　　验证：我们对LSW3的G0/0/10端口进行抓包分析

　　时间节点一：根桥宣告为LSW4，BPDU是从LSW4发送过来的。根路径为LSW4-LSW3，则根路径开销为20000。

　　时间节点二：LSW3超时没有收到根桥的配置BPDU，所以宣告自己为根桥。

　　时间节点三：LSW3收到来自LSW2发来的配置BPDU，发现自己的桥ID优先级较低，重新选举自己的根端口和指定端口。

　　情况四：拓扑改变导致MAC地址表错误

　　在交换网络中，交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。

　　本例中，LSW6中的MAC地址表项定义了通过端口G0/0/3可以到达主机A，通过端口G0/0/2可以到达主机B。由于LSW7的根端口G0/0/2产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒，主机A发往主机B的帧到达LSW6后，LSW6会继续通过根端口G 0/0/1转发该数据帧。

　　拓扑变化过程中，根桥通过下游交换机的TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。

拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：

　　1、LSW7感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向LSW6发送TCN BPDU报文。

　　2、LSW6收到LSW7发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给LSW7，告知LSW7停止发送TCN BPDU报文。

　　3、LSW6向根桥LSW5转发TCN BPDU报文。

　　4、LSW5把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forwarding Delay的时间（默认为15秒）。

　　5、最多等待15秒之后，LSW6中的错误映射关系会被自动清除。此后，LSW6就能通过G0/0/2端口把从主机A到主机B的帧正确地进行转发。

补充Tips：

　　关于BPDU的flags字段

　　Flags字段占8bits（位）的空间，其中有效位只有高位（最左边）和低位（最右边）的1bit。

　　TCN报文：Topology Change Notification报文，即拓扑改变通知报文，当设备A感知到STP拓扑发生了变化时，会向其他设备B发送TCN BPDU报文，代表：“我发现拓扑变化了，通知你一下”。

　　低位的叫TC（Topology Change），即“拓扑改变”位，常用于根桥通知下游交换机拓扑发生了改变。代表：“我们STP的拓扑改变了，请下游交换机刷新一下MAC地址表”

　　高位的叫TCA（Topology Change Acknowledge），即“拓扑改变响应”位，当设备B收到设备A发送过来的TCN BPDU报文，B知道拓扑发生了变化。然后B会：将此报文转发给根桥，然后生成一个TCA置为1的BPDU报文，回复给设备A，代表“我已确认收到你发的通知报文，你可以停止发了”。

　　利用实验来验证：如图所示抓包点为LSW7的指定端口G0/0/1口