1.1 增加交换机间的冗余链路

增加网络冗余链路，是提高网络稳定性和可用性的首要选择。原因很简单，增加网络冗余链路的投资少、见效快，但是，却成倍地提高了网络的可用性，使得网络通信不至于因为某条物理链路、某个模块、某个插槽、某个接口的损坏或故障而中断。

1.1.1 交换机冗余链路的必要性

通常情况下，大中型局域网络都是采用三层的树形结构（如图1-1所示），即核心层、汇聚层和接入层。树形网络中的节点呈树状排列，单个的外围节点必须仅向一个其他节点或仅从它接收信息，且不要承担转发或刷新的功能。中心节点的功能可以为分布式的。节点按级分层连接，并不形成封闭的环路结构。这种树形结构从一个首端点开始，可能会有多个分支点，每个分支点以下又可能有很多其他分支，从而形成复杂的树形拓扑结构。

树形拓扑的可折叠性非常适用于构建中小型规模的局域网络。由于树形拓扑具有非常好的可扩展性，并可通过更换集线设备使网络性能迅速得以升级，极大地保护了用户的布线投资，因此，非常适宜于作为中小型网络的网络拓扑。

一些规模较小的局域网络则往往采用二层的树形结构（如图1-2所示），即核心层和接入层，略掉汇聚层，从而使网络结构更加简单，并节约硬件设备的投资。

当然，也有大量的中小型局域网络采用二、三层混合结构（如图1-3所示），即大量采用二层结构，只是在少量用户数量较多的区域设置汇聚交换机；或者大量采用三层结构，只是让少量用户数量较少区域直接接入核心交换机。

然而，从这些拓扑结构中可以看到，无论采用哪种树形结构，任何两个节点之间都只有一条链路。那么，这也就意味着，一旦接入交换机的上行物理链路、上行接口、上行插槽发生故障，将导致连接至该交换机中的所有用户都无法再访问园区网络；一旦汇聚交换机的上行物理链路、上行接口、上行插槽发生故障，或者，核心交换机任何一个端口、一个插槽发生故障，也必然将导致相当数量的（与故障汇聚交换机连接的接入交换机下的所有用户）用户失去网络连接；而核心交换机任何一个线卡的故障（因为板卡提供有若干端口）更是会导致大量用户网络失去连接。可见，典型的、节点间仅有一条链路的树形网络是不可靠的，很有可能会发生连通性故障，导致网络传输失败。

1.1.2 交换机冗余链路和协议设计

交换机冗余链路设计涉及两个方面，即冗余链路的设计和扩展树协议设计。前者提供物理链路冗余，保证网络不因链路故障而中断；后者提供解决方案，保证冗余链路不会导致拓扑环而使网络瘫痪。

1.冗余链路设计

既然无论是物理链路，还是交换机（包括端口和模块），都不可避免地存在着发生故障的可能性。那么，如何保证在一条链路损坏之后，还能通过其他链路而保持连接不被中断呢？这自然就要采用冗余链接（如图1-4所示），即在核心交换机与汇聚交换机之间构建两条链路，从而保证在一条链路发生故障之后，还能够通过另外一条链路进行通信，从而确保网络传输的稳定。

在网络规划设计时，冗余链路通常只在核心交换机与汇聚交换机之间，以及服务器的数据中心交换机也必须与核心交换机之间提供（如图1-5所示），即只在网络骨干采用冗余连接。至于汇聚交换机与接入之间由于不是那么重要，通常也就无需再设计冗余链路。当然，对于一些非常重要的子网，也可以在汇聚交换机与接入交换机之间设计冗余链路。

构建冗余链路时，来自汇聚交换机上的两条线路应当连接至核心交换机上不同插槽的线卡，以避免由于核心交换机上线卡的故障而导致两条链路同时中断。

2.扩展树协议

冗余的链接虽然增加了系统的安全性，但同时也带来了另外一个问题，那就是网桥循环（拓扑环），使得数据在交换机之间循环传递，并最终导致网络瘫痪。

STP

既然冗余链路是必需的，而又不能让两条以上的链路同时工作，那么，唯一途径就是让两个链路中一条处于工作状态，而另一条处于待命状态。处于待命状态的备份链路必须同时具有监视主链路工作状况的能力，并在主链路发生故障时，立即投入使用。这样，既起到了备份的作用，又保证网络不会陷入死循环。于是，扩展树的思路诞生了。

另外，借助于扩展树技术，即使由于网络管理员的错误连接而导致了网络的拓扑环路，网络仍然可以正常运行，从而保证网络的连接稳定。

扩展树（Spanning Tree），也称生成树，它的产生源于链路的冗余连接。扩展树协议指通过一定算法，从而使任意两个节点间有且只有一条路径连接。这就好像是一棵树，从树根开始长起，然后是树干、树枝，最后到树叶，从而保证任意两片树叶间只有一条路。

RSTP

RSTP（Rapid Spaning Tree Protocol，快速生成树协议）协议通过快速生成树算法在交换网络中阻断部分冗余路径，建立起无环路的树状网络。

RSTP执行的802.1w协议，由STP的802.1d协议发展而来。RSTP是STP的扩展，其主要特点是增加了端口状态快速切换的机制，能够实现网络拓扑的快速转换。RSTP协议完全向下兼容802.1D STP协议，除了和传统的STP协议一样具有避免回路、提供冗余链路的功能外，最主要的特点就是“快”。如果一个局域网内的网桥都支持RSTP协议且配置得当，一旦网络拓扑改变而要重新生成拓扑树只需要不超过1秒的时间（传统的STP需要大约50秒）。对于像语音和视频这些对延迟敏感的网络应用而言至关重要。

RSTP针对各种端口在拓扑结构中角色的不同，对某些端口实现了从阻塞状态到转发状态的瞬间迁移或快速迁移。因此，RSTP协议在网络结构发生变化时，能更快地收敛网络。RSTP利用点到点线路并提供生成树的快速收敛。

RSTP协议可以与STP协议完全兼容，RSTP协议会根据收到的BPDU版本号来自动判断与之相连的网桥是支持STP协议还是支持RSTP协议，如果是与STP网桥互连就只能按STP的转发方法，过30秒再转发，无法发挥RSTP的最大功效。

PVST/PVST+

PVST（Per-VLAN Spanning Tree，每VLAN生成树）是在VLAN上处理生成树的Cisco特有解决方案。PVST为每个虚拟局域网运行单独的生成树实例。通常情况下，PVST要求在交换机之间的中继链路（Trunk）上采用Cisco ISL协议。

PVST+协议对PVST协议进行了改进，并成为交换机默认的生成树协议。PVST+协议在VLAN1上运行的是普通STP协议，在其他VLAN上运行PVST协议。

由于每个VLAN都有一棵独立的生成树，因此，单生成树的主要缺陷基本上都被解决了。同时，PVST还能够支持二层的负载均衡。

当然，PVST/PVST+也有如下缺陷：

• 由于每个VLAN都需要生成一棵树，PVST BPDU的通信量将正比于Trunk的VLAN个数。
• 在VLAN个数比较多的时候，维护多个生成树的计算量和资源占用量将急剧增长。特别是当Trunk了很多VLAN的接口状态变化的时候，所有生成树的状态都要重新计算，CPU将不堪重负。所以，Cisco交换机限制了VLAN的使用个数，同时不建议在一个端口上Trunk很多VLAN。
• 由于协议的私有性，PVST/PVST+不能像STP/RSTP一样得到广泛的支持，不同厂家的设备并不能在这种模式下直接互通，只能通过一些变通的方式实现。

一般情况下，网络的拓扑结构不会频繁变化，所以，PVST/PVST+的这些缺点并不会很致命。但是，端口Trunk大量VLAN这种需求还是存在的。

MSTP

多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）是IEEE 802.1s中定义的一种新型生成树协议，提出了多生成树的概念，可以把不同的VLAN映射到不同的生成树，从而达到网络负载均衡的目的。MSTP与STP/RSTP一脉相承，三者有很好的兼容性。MSTP是在传统的STP、RSTP的基础上发展而来的新的生成树协议，使用RSTP进行快速收敛。

由于传统的生成树协议与VLAN没有任何联系，因此，在特定网络拓扑下就会产生一些问题。MSTP可以把一组VLAN划分为一个生成树实例（instance），有着相同实例配置的交换机就组成一个MST域（region），运行独立的生成树（该内部生成树称为IST，Internal Spanning-Tree）。MST 域组合就相当于一个大的交换机，与其他MST域再进行生成树算法运算，得出一个整体的生成树，称为CST（Common Spanning Tree，共同生成树）。

简单说来，STP/RSTP是基于端口的，PVST+是基于VLAN的，而MSTP是基于实例的。与STP/RSTP和PVST+相比，MSTP中引入了“实例”（Instance）和“域”（Region）的概念。所谓“实例”就是多个VLAN的一个集合，这种通过多个VLAN捆绑到一个实例中的方法可以节省通信开销和资源占用率。MSTP各个实例拓扑的计算是独立的，在这些实例上就可以实现负载均衡。使用时，可以把多个相同拓扑结构的VLAN映射到某一个实例中，这些VLAN在端口上的转发状态将取决于对应实例在MSTP里的转发状态。

与STP和RSTP相比，MSTP具有VLAN认知能力，可以实现负载均衡，可以实现类似RSTP的端口状态快速切换；与PVST+相比，MSTP可以捆绑多个VLAN到一个实例中以降低资源占用率，并且可以很好地向下兼容STP/RSTP协议。

MSTP兼容STP和RSTP，并且可以弥补STP和RSTP的缺陷。它既可以快速收敛，也能使不同VLAN的流量沿各自的路径分发，从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。

如图1-6所示，交换机A和B都在MSTP域1内，MSTP域1没有环路产生，所以，没有链路被禁用。同理，MSTP域2的情况也一样。然后，域1和域2就分别相当于两个大的交换机，这两台“交换机”间有环路，因此，根据相关配置选择一条链路被禁用。这样，既避免了环路的产生，也能让相同VLAN间的通信不受影响。

1.1.3 冗余链路对布线和交换机的要求

当然，构建冗余链路必需额外的网络布线和硬件设备。事实上，构建冗余链路时，需要额外提供一倍的物理链路，以及一倍的物理端口。

在网络布线设计中往往会有一些冗余，建筑群布线一般采用8～12芯单模光缆（或多模光缆）。采用普通的树形结构时，只使用其中的2芯。即使采用冗余链路，也只需要使用4芯。因此，一般情况下，网络布线能够满足冗余链路的要求。

除此之外，就是对汇聚交换机和核心交换机端口的要求。汇聚交换机通常采用固定端口交换机，一般至少拥有2～4个级联端口，因此能够提供足够的冗余端口。可见，问题的关键在于核心交换机。如图1-7所示为Cisco Catalyst 3750-X系列交换机，可以提供2个10Gb/s或4个1Gb/s上行接口，可被用于小型子网的汇聚交换机。

核心交换机采用模块化交换机，一般拥有4～9个插槽，其中，管理引擎占用一个插槽，线卡占用其他的3～8个插槽。每个插槽可安装一块线卡，每个线卡可以提供6～24个光纤或双绞线接口。因此，如果网络规模不是很大，通常情况下，只需根据所增加链路的数量购置少量线卡即可。当然，对于光纤冗余链路而言，千兆位或万兆位的光纤模块是不可缺少的。如图1-8所示为Cisco Catalyst 4500-E系列交换机，拥有3～10个插槽，可安装2～8个线卡，被广泛用于充当中小型网络的核心交换机。

1.1.4 配置PVST

对于交换机而言，首先应当解决的就是可能的拓扑环问题。原因很简单，导致环的原因非常多，无论是误将一条跳线连接在同一交换机的两个端口，还是跳线短路，或者将交换机拓扑连接为环路，都会导致拓扑环的发生，从而导致网络瘫痪。

1.PVST默认配置参数

PVST默认配置参数如表1-1所示。

表1-1 默认STP配置

2.配置根交换机

默认状态下，所有VLAN中的扩展树都将启用PVST+。对于中小型网络而言，PVST+是一个不错的选择，因此，无需再为每个VLAN都启用STP，只需将核心交换机确定为根交换机即可。

配置命令

当VLAN中存在有拓扑环时，应当通过根交换机设置确定网络拓扑结构，从而使扩展树的生成时间最短。

第1步，进入全局配置模式。

Switch# configure terminal

第2步，将交换机配置为指定VLAN的根交换机。使用vlan_id可以指定某个VLAN或VLAN范围，可取值范围为1～4094。（可选）diameter net-diamete用于指定两个终端间交换机的数量，取值范围为2～7。使用spanning-tree vlan vlan_id root secondary [diameter netdiamete命令，可以将交换机配置为次根交换机。（可选）使用hello-time seconds，指定来自根交换机配置信息的时间间隔，单位为秒，可取值范围为1～10，默认值为2。

Switch（config）# spanning-tree vlan vlan_id root primary [diameter net diameter [hello-time seconds]]

第3步，返回至特权配置模式。

Switch（config）# end

第4步，查看并校验配置。

Switch# show spanning-tree detail

第5步，保存配置。

Switch# copy running-config startup-config

若欲将交换机恢复为默认配置，可以在全局配置模式下使用no spanning-tree vlan vlan_id root命令。

配置示例

将核心交换机Hexin_4506配置为所有VLAN（VLAN1～VLAN100）的根交换机。

Hexin_4506# configure terminal

Hexin_4506（config）# spanning-tree vlan 1-100 root primary

Hexin_4506（config）# end

Hexin_4506#

3.配置Trunk端口负载分担

借助负载分担，可以在拥有平行Trunk端口的交换机上实现带宽分流。为了避免拓扑环，STP通常只保留平行连接中的一个链接，而阻止其他链接。使用负载共享技术，可以依照通信所属VLAN，在两个链接之间分担流量。

使用STP端口优先级实现负载共享

当两个端口位于同一台交换机上时会构成拓扑环，此时交换机将使用STP端口优先级来决定启用哪个端口，阻止哪个端口。可以在一个平行Trunk端口设置优先级，从而使该端口允许给定VLAN的所有数据的传输。对于某个VLAN而言，拥有最高优先级（低值）的Trunk端口转发通信，拥有最低优先级（高值）的Trunk端口保持阻止状态。Trunk端口负责发送或接收VLAN中所有的通信。

如图1-9所示，交换机之间有两个Trunk连接，相关配置如下：

• VLAN8～10在Trunk1上指定的端口优先级值为16。
• VLAN3～6在Trunk1上保持默认的端口优先级值128。
• VLAN3～6在Trunk2上指定的端口优先级值为16。
• VLAN8～10在Trunk2上保持默认的端口优先级值128。

此时，Trunk 1负责VLAN8～10的数据传输，Trunk 2负责VLAN3～6的数据传输。当活动Trunk失败后，另外的Trunk连接将负责所有VLAN的传输。

配置过程如下。

第1步，在Switch A交换机上进入全局配置模式。

Switch A# configure terminal

第2步，配置VTP管理域。域名可以是1～32个字符。

Switch A（config）# vtp domain domain-name

第3步，将Swith A交换机配置为域服务器。

Switch A（config）# vtp mode server

第4步，返回特权配置模式。

Switch A（config）# end

第5步，在Switch A和Switch B交换机上查看VTP状态，校验VTP配置，检查VTP操作模式和VTP域名称字段。

Switch A# show vtp status

第6步，在Switch A交换机上校验已经存在的VLAN。

Switch A# show vlan

第7步，进入全局配置模式。

Switch A# configure terminal

第8步，定义欲配置为Trunk的接口，进入接口配置模式。

Switch A（config）# interface gigabitethernet 0/1

第9步，将端口配置为支持ISL或IEEE 802.1Q封装或者与相邻端口协商。

Switch A（config-if）# switchport trunk encapsulation {isl | dot1q | negotiate}

第10步，将端口配置为Trunk端口。

Switch A（config-if）# switchport mode trunk

第11步，返回特权配置模式。

Switch A（config-if）# end

第12步，查看所配置接口的状态。

Switch A# show interfaces gigabitethernet 0/1

第13步，在Switch A交换机的第2个端口上重复步骤7～步骤11操作。

第14步，在Switch B交换机配置连接至Switch A的Trunk端口上，重复步骤7～步骤11操作。

第15步，当Trunk连接启用后，校验Switch B学习到的VLAN配置。

Switch B# show vlan

第16步，在Switch A上进入全局配置模式。

Switch A# configure terminal

第17步，定义欲设置端口优先级的接口，并进入接口配置模式。

Switch A（config）# interface gigabitethernet 0/1

第18步，为VLAN8～VLAN10指定优先级值为16。

Switch A（config-if）# spanning-tree vlan 8-10 port-priority 16

第19步，返回全局配置模式。

Switch A（config-if）# end

第20步，设置接口的STP端口优先级，进入接口配置模式。

Switch A# interface gigabitethernet 0/2

第21步，为VLAN3～VLAN6指定优先级值为16。

Switch A（config-if）# spanning-tree vlan 3-6 port-priority 16

第22步，返回特权配置模式。

Switch A（config-if）# end

第23步，校验配置。

Switch A# show running-config

第24步，保存配置。

Switch A# copy running-config startup-config

使用STP路径开销实现负载分担

也可以通过设置不同的路径开销，在平行Trunk连接中共享VLAN传输，设置不同的端口。通过为不同的VLAN设置不同的路径开销，从而使不同的VLAN阻止不同的端口。例如，Trunk端口1和2为100BASE-T端口，VLAN路径开销如图1-10所示。

具体配置如下：

• 指定Trunk 1上VLAN2～VLAN4的路径开销为30。
• 指定Trunk 1上VLAN8～VLAN10保持100BASE-T默认的路径开销19。
• 指定Trunk 2上VLAN8～VLAN10的路径开销为30。
• 指定Trunk 2上VLAN2～VLAN4保持100BASE-T默认的路径开销19。

具体配置过程如下。

第1步，在Switch A上进入全局配置模式。

Switch# configure terminal

第2步，将接口配置为Trunk，进入接口配置模式。

Switch（config）# interface gigabitethernet 0/1

第3步，配置端口配置ISL或802.1Q封装，必须为每个链接的终端配置相同的封装类型。

Switch（config-if）#switchport trunk encapsulation{isl | dot1q | negotiate}

第4步，将端口配置为Trunk端口。Trunk类型默认为ISL。

Switch（config-if）# switchport mode trunk

第5步，返回全局配置模式。

Switch（config-if）# exit

第6步，在SwitchA上的第2个端口重复步骤2～步骤5操作。

第7步，返回特权配置模式。

Switch（config）# end

第8步，校验配置，确认接口被配置为Trunk端口。

Switch# show running-config

第9步，当Trunk连接启用时，Switch A从其他交换机接收到VTP信息。校验Switch A已经学习到的VLAN配置。

Switch# show vlan

第10步，在Switch A上进入全局配置模式。

Switch# configure terminal

第11步，在交换机上定义接口的STP开销，进入接口配置模式。

Switch（config）# interface gigabitethernet 0/1

第12步，为VLAN2～VLAN4设置Spanning-tree路径开销为30。

Switch（config-if）# spanning-tree vlan 2-4 cost 30

第13步，返回全局配置模式。

Switch（config）# end

第14步，在Switch A的其他Trunk端口上重复步骤9～步骤13操作，为VLAN8～VLAN10设置Spanning-tree路径开销为30。

第15步，返回特权配置模式。

Switch（config）# end

第16步，校验配置。

Switch# show running-config

第17步，保存配置。

Switch# copy running-config startup-config

1.1.5 配置MSTP

STP/RSTP协议以及Cisco的私有协议PVST+都属于单生成树（Single Spanning Tree，SST）协议，也就是对于支持多VLAN的设备只能运行单一的生成树。MSTP是IEEE 802.1s中提出的一种STP和VLAN结合使用的新协议，既继承了RSTP端口快速迁移的优点，又解决了RSTP中不同VLAN必须运行在同一个生成树上的问题。可见，如果网络内的交换机全部支持MSTP协议，则应当尽量配置为MSTP。

1.MSTP默认配置参数

MSTP默认配置参数如表1-2所示。

表1-2 MSTP默认配置参数

2.MSTP配置策略

配置MSTP时，应当遵循以下策略：

• 当使用spanning-tree mode mst全局配置命令启用MSTP时，RSTP被自动启用。
• 若欲使2台或更多交换机位于同一MSTP区域，必须拥有相同的VLAN-实例映射，相同配置版本号和相同的名称。
• 交换机支持最多65个MSTP实例。不过，被映射至某一MSTP实例的VLAN数量没有限制。
• PVST+、rapid PVST+和MSTP都被支持，但是在任何时候都只能激活一个版本。例如，所有VLAN运行PVST+，或者所有VLAN运行rapid PVST+，或者所有VLAN运行MSTP。
• MSTP配置中的VTP传播不被支持。不过，可以在MSTP区域中的每台交换机上手动配置MSTP配置（如区域名称、版本号和VLAN-实例映射）。
• 在网络中，可以借助冗余路径实现负载分担，所有VLAN-实例映射必须匹配，否则所有传输流量将只使用其中的一条链路。
• 所有MSTP边界端口必须为PVST+和MSTP云或者rapid-PVST+和MSTP云之间的负载分担转发。
• 不建议将网络划分为较多数量的区域。然而，如果这种情况不可避免，建议将交换式网络划分为较小局域网，并借助路由器或非二层设备互联。

3.MSTP基本配置

配置命令

第1步，进入全局配置模式。

Switch# configure terminal

第2步，进入MSTP配置模式。

Switch（config）# spanning-tree mst configuration

第3步，映射VLAN至MSTP实例。实例ID取值范围为0～4094，VLAN取值范围为1～4094。当将VLAN映射至MSTP实例时，在映射增加的同时，指定的VLAN也将从早先的映射中添加或移除。若欲指定一个VLAN范围，可以使用“-”连字符，如“instance 1 vlan 1-11”将把VLAN1～VLAN11映射至MSTP实例1；若指定一个VLAN系列，则可以使用“，”，如“instance 1 vlan 10，20，30”将把VLAN10、VLAN20和VLAN30映射至MSTP实例1。

Switch（config-mst）# instance instance_id vlan vlan-range

第4步，指定配置名称。名称字符串最多允许32个字符。

Switch（config-mst）# name name

第5步，指定配置版本号。取值范围为0～65535。

Switch（config-mst）# revision version

第6步，查看并校验配置。

Switch（config-mst）# show pending

第7步，确认对配置所做的修改，并返回至全局配置模式。

Switch（config-mst）# exit

第8步，启用MSTP，RSTP也将被启用。不能同时运行MSTP和PVST+或者MSTP和rapid PVST+。

Switch（config）# spanning-tree mode mst

第9步，返回特权配置模式。

Switch（config）# end

第10步，查看并校验配置。

Switch# show running-config

第11步，保存修改的配置。

Switch# copy running-config startup-config

配置示例

将VLAN1～VLAN11映射至实例1，并启用MSTP协议。实例名称为coolpen1。

Hexin_4506# configure terminal

Hexin_4506（config）# spanning-tree mst configuration

Hexin_4506（config-mst）# instance 1 vlan 1-11

Hexin_4506（config-mst）# name coolpen1

Hexin_4506（config-mst）# revision 1

Hexin_4506（config-mst）# show pending

Hexin_4506（config-mst）# exit

Hexin_4506（config）# spanning-tree mode mst

Hexin_4506（config）# end

Hexin_4506#

4.配置根交换机

交换机维护一个VLAN组的扩展树实例映射。交换机ID由交换机优先级和交换机MAC地址组成，并被关联到每个实例。对于某个VLAN组而言，交换机ID最低的交换机将变为根交换机。

配置命令

通过将核心交换机配置为根交换机确定网络拓扑结构，从而MSTP使扩展树的生成时间最短。

第1步，进入全局配置模式。

Switch# configure terminal

第2步，将交换机配置为根交换机。使用instance_id既可指定单个实例，也可指定一个实例范围，取值范围为0～4094。（可选）diameter net-diamete用于指定两个终端间交换机的数量，取值范围为2～7。该关键字只在MST实例0中有效。（可选）使用hello-time seconds，指定来自根交换机配置信息的时间间隔，单位为秒，可取值范围为1～10，默认值为2。

Switch（config）# spanning-tree mst instance_id root primary [diameter net diameter [hello-time seconds]]

第3步，返回至特权配置模式。

Switch（config-mst）# end

第4步，查看并校验配置。

Switch# show spanning-tree mst instance_id

第5步，保存配置。

Switch# copy running-config startup-config

若欲将交换机恢复为默认配置，可以在全局配置模式下使用no spanning-tree vlan vlan_id root命令。

配置示例

将核心交换机Hexin_4506配置为实例1的根交换机。

Hexin_4506# configure terminal

Hexin_4506（config）# spanning-tree mst 1 root primary

Hexin_4506（config-mst）# end

Hexin_4506#