STP生成樹協議筆記之(三)：協議報文的抓包解析

本文轉載自查看原文 2021-04-07 14:52 1038 數據鏈路層/ 網絡

STP生成樹協議筆記之(三) : 協議報文的抓包解析

　　為了計算生成樹，交換機之間需要交換相關的信息和參數，這些信息和參數被封裝在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。

BPDU的類型

　　BPDU有兩種類型：配置BPDU和TCN BPDU。

　　配置BPDU描述本設備的配置信息，包含了橋ID、路徑開銷和端口ID等參數。STP協議通過在交換機之間傳遞配置BPDU來選舉根交換機,以及確定每個交換機端口的角色和狀態。在初始化過程中，每個橋都主動發送配置BPDU。在網絡拓撲穩定以后，只有根橋主動發送配置BPDU，其他交換機在收到上游傳來的配置BPDU后，才會發送自己的配置BPDU。

　　TCN BPDU是指下游交換機感知到拓撲發生變化時向上游發送的拓撲變化通知。

STP幀格式

字段內容	說明
Protocol Identifier	協議ID＝“0”
Protocol Version Identifier	協議版本標識符，STP為0，RSTP為2，MSTP為3。
BPDU Type	BPDU類型，MSTP為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	對於“標記域”（Flags），第一個bit（左邊、高位bit）表示“TCA（拓撲改變響應）”，最后一個bit（右邊、低位bit）表示“TC（拓撲改變）”。
Root Identifier	根橋的橋ID。網橋ID都是8個字節——前兩個字節是網橋優先級，后6個字節是網橋MAC地址。
Root Path Cost	根路徑開銷，本端口累計到根橋的開銷。
Bridge Identifier	發送者的橋ID，本交換機的橋ID。
Port Identifier	發送端口的PID，發送該BPDU的端口ID。
Message Age	配置BPDU在網絡中傳播的生存期。
Max Age	配置BPDU在設備中能夠保存的最大生存期。
Hello Time	配置BPDU發送的周期（發送兩個相鄰BPDU間的時間間隔）。
Forward Delay	端口狀態遷移的延時（控制Listening和Learning狀態的持續時間）。

抓包分析BPDU數據包內容

　　實驗的拓撲圖如上。一開始，所有的交換機都會認為自己是根橋，自己的所有端口都是指定端口，參與轉發配置BPDU報文。

　　圖中紅框內的是一些STP協議比較重要的時間參數：

　　Hello Time是指運行STP協議的設備發送配置BPDU的時間間隔，用於檢測鏈路是否存在故障。交換機每隔Hello Time時間會向周圍的交換機發送配置BPDU報文，以確認鏈路是否存在故障。當網絡拓撲穩定后，該值只有在根橋上修改才有效。默認的Hello Time的值是2秒。

　　Message Age : 如果配置BPDU是根橋發出的，則Message Age為0。否則，Message Age是從根橋發送到當前橋接收到BPDU的總時間，包括傳輸延時等。實際實現中，配置BPDU報文每經過一個交換機，Message Age增加1。

　　Max Age：是指BPDU報文的老化時間，可在根橋上通過命令人為改動這個值。Max Age通過配置BPDU報文的傳遞，可以保證Max Age在整網中一致。非根橋設備收到配置BPDU報文后，會將報文中的Message Age和Max Age進行比較：如果Message Age小於等於Max Age，則該非根橋設備會繼續轉發配置BPDU報文。如果Message Age大於Max Age，則該配置BPDU報文將被老化掉。該非根橋設備將直接丟棄該配置BPDU，並認為是網絡直徑過大，導致了根橋連接失敗。默認的Max Age值是20秒。

　 Forward Delay：當拓撲發生變化，新的配置消息要經過一定的時延才能傳播到整個網絡，這個時延稱為Forward Delay，一般指從listening狀態到learning狀態，或是從leaning狀態到Forwarding狀態所需要的時間，協議默認的Forward Delay值是15秒。

（1）通過抓包點A（LSW4的G0/0/2端口）可知，此時LSW4默認認為自己是根橋，所以發送的BPDU中Root Identifier填寫的是自己的橋ID，Root Path Cost（根路徑開銷）填的是0，Message Age中填的也是0。接着將這個BPDU發送給LSW2。其余的交換機也會重復這個操作。

（2）LSW2接收到LSW4的BPDU報文，查看報文中的Root Identifier字段，發現該報文優先級被他本身要高，所以將自己的BPDU報文中的Root Identifier字段從自身改為LSW4的橋ID，Message Time加一，同時計算根路徑開銷（端口開銷默認為20000），再發給其他交換機。如圖為抓包點B（LSW2的G0/0/12）的報文截圖。

（3）等到所有的交換機都完成了選舉，進入穩定的狀態，則只會身為根橋的LSW4會每隔Hello Time時間發送配置一次配置BPDU，告知整個STP網絡根橋正常運行。

如果拓撲發生了變化（如根橋故障，鏈路故障等），STP又是如何感知到且作出改變的呢？

STP拓撲發生變化時的處理方式

　　情況一：根橋故障

　　在穩定的STP拓撲里，非根橋會定期收到來自根橋的BPDU報文。如果根橋發生了故障，停止發送BPDU報文，下游交換機就無法收到來自根橋的BPDU報文。如果下游交換機一直收不到BPDU報文，Max Age定時器就會超時（Max Age的默認值為20秒，約為10次Hello Time默認值的時間），從而導致已經收到的BPDU報文失效，此時，非根交換機會互相發送配置BPDU報文，重新選舉新的根橋。根橋故障會導致50秒左右的恢復時間，恢復時間約等於Max Age加上兩倍的Forward Delay收斂時間。

　　需要：Max Age + 2*Forward Delay = 50 秒

　　驗證：根橋已經重新選舉為LSW1

　　情況二：直連鏈路故障

　　此例中，LSW1和LSW3使用了兩條鏈路互連，其中一條是主用鏈路，另外一條是備份鏈路。生成樹正常收斂之后，如果檢測到LSW1的根端口（G0/0/15）鏈路發生物理故障，則其會按照STP協議規則重新選舉根端口，則其Alternate端口（G0/0/8）會遷移到Listening、 Learning、Forwarding狀態，經過2倍的Forward Delay后恢復到轉發狀態。

　　需要： 2*Forward Delay = 30 秒

　　驗證：LSW1的根端口已重新選舉為G0/0/8

　　情況三：非直連鏈路故障

　　如上圖，根橋交換機LSW4與LSW3之間的鏈路發生了某種故障（非物理層故障），LSW3因此在Max Age時間內收不到來自LSW4的BPDU，則自己作為新的根橋開始發送BPDU。LSW2也會繼續從原根橋LSW4接收BPDU報文，因此會忽略LSW3發送的BPDU報文。

　　由於LSW2的預備端口（Alternate）端口再也不能收到包含原根橋ID的BPDU報文。其Max Age定時器超時后，LSW2會切換Alternate端口為指定端口並且轉發來自其根端口的BPDU報文給LSW3。LSW3在收到優先級比自己高的BPDU報文后，放棄宣稱自己是根橋並開始收斂端口為根端口。非直連鏈路故障后，由於需要等待Max Age加上兩倍的Forward Delay時間，端口需要大約50秒才能恢復到轉發狀態。

　　需要：Max Age + 2*Forward Delay = 50 秒

　　驗證：我們對LSW3的G0/0/10端口進行抓包分析

　　時間節點一：根橋宣告為LSW4，BPDU是從LSW4發送過來的。根路徑為LSW4-LSW3，則根路徑開銷為20000。

　　時間節點二：LSW3超時沒有收到根橋的配置BPDU，所以宣告自己為根橋。

　　時間節點三：LSW3收到來自LSW2發來的配置BPDU，發現自己的橋ID優先級較低，重新選舉自己的根端口和指定端口。

　　情況四：拓撲改變導致MAC地址表錯誤

　　在交換網絡中，交換機依賴MAC地址表轉發數據幀。缺省情況下，MAC地址表項的老化時間是300秒。如果生成樹拓撲發生變化，交換機轉發數據的路徑也會隨着發生改變，此時MAC地址表中未及時老化掉的表項會導致數據轉發錯誤，因此在拓撲發生變化后需要及時更新MAC地址表項。

　　本例中，LSW6中的MAC地址表項定義了通過端口G0/0/3可以到達主機A，通過端口G0/0/2可以到達主機B。由於LSW7的根端口G0/0/2產生故障，導致生成樹拓撲重新收斂，在生成樹拓撲完成收斂之后，從主機A到主機B的幀仍然不能到達目的地。這是因為MAC地址表項老化時間是300秒，主機A發往主機B的幀到達LSW6后，LSW6會繼續通過根端口G 0/0/1轉發該數據幀。

　　拓撲變化過程中，根橋通過下游交換機的TCN BPDU報文獲知生成樹拓撲里發生了故障。根橋生成TC用來通知其他交換機加速老化現有的MAC地址表項。

拓撲變更以及MAC地址表項更新的具體過程如下：

　　1、LSW7感知到網絡拓撲發生變化后，會不間斷地向LSW6發送TCN BPDU報文。

　　2、LSW6收到LSW7發來的TCN BPDU報文后，會把配置BPDU報文中的Flags的TCA位設置1，然后發送給LSW7，告知LSW7停止發送TCN BPDU報文。

　　3、LSW6向根橋LSW5轉發TCN BPDU報文。

　　4、LSW5把配置BPDU報文中的Flags的TC位設置為1后發送，通知下游設備把MAC地址表項的老化時間由默認的300秒修改為Forwarding Delay的時間（默認為15秒）。

　　5、最多等待15秒之后，LSW6中的錯誤映射關系會被自動清除。此后，LSW6就能通過G0/0/2端口把從主機A到主機B的幀正確地進行轉發。

補充Tips：

　　關於BPDU的flags字段

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

　　TCN報文：Topology Change Notification報文，即拓撲改變通知報文，當設備A感知到STP拓撲發生了變化時，會向其他設備B發送TCN BPDU報文，代表：“我發現拓撲變化了，通知你一下”。

　　低位的叫TC（Topology Change），即“拓撲改變”位，常用於根橋通知下游交換機拓撲發生了改變。代表：“我們STP的拓撲改變了，請下游交換機刷新一下MAC地址表”

　　高位的叫TCA（Topology Change Acknowledge），即“拓撲改變響應”位，當設備B收到設備A發送過來的TCN BPDU報文，B知道拓撲發生了變化。然后B會：將此報文轉發給根橋，然后生成一個TCA置為1的BPDU報文，回復給設備A，代表“我已確認收到你發的通知報文，你可以停止發了”。

　　利用實驗來驗證：如圖所示抓包點為LSW7的指定端口G0/0/1口