STP（生成树协议）

STP（生成树协议）

生成树协议原理：

​在二层交换网络中，逻辑的阻塞部分接口，实现从根节点到所有节点唯一的路径的生成，成为一个没有环路的拓扑。当最佳路径数显故障时，个别被阻塞的接口将被打开，形成备份链路

冗余的方式有：

设备冗余，线路冗余，网关冗余，UPS冗余

没有STP协议时，二层交换机存在的一些问题

​ 当PC1首次想访问PC2时，LSW2会接收到一个请求未知MAC地址的数据帧；二层交换机会洪泛该数据帧（除了接收到该数据帧的接口），此时会出现两种情况（目的MAC地址的设备没有及时回应）：

​ 顺时针：当LSW1接收到该洪泛的数据帧时，因为LSW1的MAC地址表内也没有该MAC地址，因此也会洪泛该数据帧；LSW3接收到洪泛的数据帧时，同样也会洪泛出去，导致LSW2会再次接收到相同的数据帧，以此反复

​ 逆时针：当LSW3接收到该洪泛的数据帧时，因为LSW3的MAC地址表内也没有该MAC地址，因此也会洪泛该数据帧；LSW1接收到洪泛的数据帧时，同样也会洪泛出去，导致LSW2会再次接收到相同的数据帧，以此反复

1. 广播风暴

   ​ 广播帧在二层环路中形成逆时针和顺时针转动的两层环路，并且无限循环，最终导致设备宕机，网络瘫痪

2. MAC地址表的翻摆（MAC地址表漂移）

   ​ 同一个数据帧，顺时针接收后将记录MAC地址与接口的对应关系；之后，逆时针方向再次接收到相同的数据帧，因此会再次修改MAC地址与接口的对应关系，如此循环，导致MAC地址表内容一直在变动

3. 多重复数据帧

   ​ PC2会接收到多条相同的数据帧信息

802.1D生成树

最基础的三种解决环路的方案：

802.1D：是由 IEEE组织 颁布的公有协议 ----标准的STP协议

RSTP（802.1W）：作为802.1D的补充

MSTP（802.1S）：最常用的协议 ----可应用于跨运营商的网络

STP基本概念

桥ID：

1. 桥ID一共8字节，包含16bit的桥优先级和48bit的桥MAC地址，其中桥优先级占据桥ID的高16bit位
2. 每一台运行STP协议的交换机都拥有的唯一的BID

根桥(root)：

​STP的主要作用之一就是在整个交换网络计算出一颗无环的树，而想要计算出该树，则需要先行确定树根的位置，即根网桥的位置

选举规则：网络中拥有最小桥ID的交换机将成为根桥

​ 当人工未干预的情况下，MAC地址小的二层交换机将成为根桥

缺省情况下，桥优先级为32768 ----该数值可以进行修改，修改的范围为0-61440，且必须是4096的倍数

开销cost与根路径开销RPC

​ 每一个激活了STP的接口都维护着一个cost值，接口的cost主要用于计算RPC，也就是计算到达根的开销

华为设备默认情况下使用 IEEE 802.1T 标准

​ 在进行修改缺省COST时，应全网修改一致

接口ID（PID）

​ 每一个运行了STP协议的交换机的接口会存在一个PID值，来标识该接口信息

​ 接口ID长度是16bit，高4bit是接口优先级，低12bit是接口编号

​接口优先级默认为128，该数值可以进行修改，修改的范围为0-240，必须为16的倍数

STP报文（BPDU）

BPDU：网桥协议数据单元

分为两大类：

1. 配置BPDU
2. TCN BPDU

​BPDU载荷被直接封装在以太网数据帧中，数据帧的目的MAC地址是组播MAC地址：0180-c200-0000

配置BPDU报文

1. 在交换网络初始化过程中，每台交换机都从自己激活了STP的接口向外发送配置BPDU
2. 当STP收敛完成后，只有根网桥才会周期性发送配置BPDU，缺省为2秒。非根网桥会在自己接收到根网桥发送的配置BPDU以后，使用触发更新方式，将自己的配置BPDU发送出去

BPDU报文格式：

1. 协议ID ----PID

   ​ 对于STP而言，该字段的值总为0

2. 协议版本ID ----PVI

   ​ stp协议：0

   ​ rstp协议：2

   ​ mstp协议：3

3. BPDU类型字段 ----BPDU Type

   ​ 指示本BPDU的类型，若值为0x00，则表示本报文为配置BPDU；若值为0x80，则为TCN BPDU

4. 标志字段 ----Flags

   ​ STP仅仅使用了最高位（TCA—拓扑变更确认标记）和最低位（TC ----拓扑变更标记）

5. 根网桥的桥ID ----Root ID

   ​ 代表根桥

6. 根路径开销 ----RPC

   ​ 到达根网桥的STP Cost

7. BPDU发送桥的ID（BID） ----Bridge ID

   ​ 代表该BPDU报文是由哪一个设备发送的

8. 接口ID值（PID） ----PortID

   ​ BPDU发送网桥的接口ID（优先级+接口号）

9. 消息寿命 ----Message Age

   1. 与TTL值相同，单位为设备数量，代表BPDU从发出到现在所经过的时间
   2. 初始值为0，每经过一台交换机，该数值加1
   3. Max Hop参数 ----最大消息寿命，默认值为20

10. 生存时间 ----Max Age
    ​ 最大寿命，当一段时间未收到任何BPDU,生存期到达最大寿命时，网桥会认为该接口连接的链路发生故障。默认20s

11. Hello Time
    根网桥连续发送的BPDU之间的时间间隔，默认2s

12. Forward Delay
    转发延迟，在侦听和学习状态所停留的时间间隔，默认15s

TCN BPDU报文

​ 该报文用于在网络拓扑发生变化时，向根桥通知变化的发生。该报文是为了修改全网交换机的MAC地址表信息而存在的，而非是为了改变STP的生成树结构

1. 本地交换链路发生故障后，STP将重新收敛，为了加快刷新全网交换机的MAC地址表，故障交换机会向本地其余运行了STP的接口发送TCN BPDU报文
2. 邻居交换机收到TCN BPDU报文后，将回复一个TCA标记为1的配置BPDU报文，用于可靠性传输
   1. 该过程会一直持续到根网桥接收到TCN BPDU报文
   2. 注意：非根网桥不能主动发送配置BPDU，故需要等待接收到根网桥的BPDU后，将TCA标记位置为1，转发给故障设备
3. 之后该TCN BPDU会一直转发到根网桥处，由根网桥下发TC标记位为1的配置BPDU(只有根可以设置该标记位)，逐级下发给所有交换机
4. 所有交换机在收到TC标记位为1的配置BPDU后，会立即将MAC地址表的老化时间临时性修改为15秒(转发延迟)，使得MAC地址表能够提前刷新

STP角色选举

根桥选举（RB）

1. 选举范围：整个交换网络

2. 一个交换网络有且只有一个根网桥

3. 选择最小BID：先比较桥优先级，后比较桥MAC地址

4. 根网桥的地位是具有可抢占性的

   ​ 可修改其设备优先级，使其成为根桥

根接口选举

根接口：是非根网桥上所有接口中收到最优BPDU报文的接口

1. 选举范围：每一个非根网桥设备

   ​ 每一个非根网桥设备上有且只有一个根接口

最优BPDU的比较原则

1. 选择具有最小桥ID的BPDU ----这一步，实际上是在选举根网桥（通过对比BID参数）
2. 比较入方向BPDU的RPC数值（RPC：根路径开销值），选择收到最小的RPC的接口作为最优BPDU报文
3. 如果交换机接收到的多个BPDU报文的RPC相同，则比较对端设备的BID，选择具有较小BID参数的设备所对应的接口作为最优BPDU报文
4. 如果存在对端设备的BID相同，则比较对端的PID值，选择较小的PID所在接口的对应接口作为最优BPDU报文
5. 若对端PID相同，则比较本端接收到BPDU报文的接口的PID值，选择较小的接口作为最优BPDU报文

指定接口选举

1. 选举范围：两台交换机之间的物理链路上选举一个指定接口（有且只有一个）
2. 该接口是该物理链路内到达根网桥最优的接口，也就是接收到最优BPDU的接口
3. 对于非根桥而言，其所有接口中收到最优BPDU的接口将成为该设备的根接口，随后，该非根桥使用自己接收到的最优BPDU，为本设备上的其他接口各自计算一个BPDU报文
   1. 然后使用计算出的BPDU报文与该接口上所接收到的BPDU报文进行对比，选择出最优的BPDU报文，那么最优BPDU所在的接口为指定接口

​ 一般而言，根网桥的所有接口都是指定接口；在存在跟接口的链路上，对端必然是指定接口。

非指定接口选举

​ 所有的不是根端口和指定端口都被称为非指定端口。而非指定端口会被交换机进行逻辑阻塞

​ 被阻塞的接口既不会接收也不会转发业务数据，且该接口不会发送BPDU报文，但是可以接收BPDU报文（业务数据：除了BPDU报文外的所有流量）

STP的工作过程

1. STP交换机初始化启动后，都会认为自己是根网桥，并在发送给其它交换机的配置BPDU中宣告自己为根桥。因此，此时的BPDU中的根桥ID为各自设备的网桥ID数值
   1. 当交换机收到网络中其他设备发来的配置BPDU后，会对比BPDU报文中的根桥ID字段和自己的BID
   2. 交换机不断交互BPDU报文，同时对BID进行对比，最终选举一台BID最小的交换机作为根网桥，其他为非根网桥
   3. 根网桥的角色是可抢占的
2. 选举完根网桥后，根网桥仍然会持续性发送配置BPDU报文，起到保活的效果。而其他非根网桥将持续不断的收到根网桥发送的BPDU，并计算自己的BPDU报文从其他指定端口发送出去
3. 每个交换机根据从自己不同接口收到的BPDU报文中选择出最优的BPDU，从而选举根端口（以下为比较参数的顺序）：
   1. 比较RPC（根路径开销值）
   2. 比较对端BID（桥ID值：优先级 + MAC地址）
   3. 比较对端PID（接口ID值：优先级 + 接口号）
   4. 比较本地PID
4. 每台交换机的每一条链路选举指定端口（以下为比较参数的顺序）：
   1. 比较RPC
   2. 比较对端BID
   3. 比较两端PID
5. 在确定了根端口和指定端口之后，交换机上所有剩余的端口都被称为非指定端口。并且会在逻辑上阻塞所有的非指定端口
   1. 当非指定端口被阻塞后，生成STP树
   2. 被阻塞的接口既不会接收也不会转发业务数据，且该接口不会发送BPDU报文，但是可以接收BPDU报文

​ 在交换网络中，一般将网关所在地、流量汇聚地点以及STP根网桥三点合并在一起

STP的接口状态

1. 禁用状态 ----Disable
   1. 接口关闭状态
   2. 接口禁用生成树协议
2. 阻塞状态 ----Blocking
   1. 是生成树协议激活后进入的第一个状态
   2. 该状态会停留一个最大老化时间(20秒)。然后进入到下一个状态
   3. 仅仅可以接收BPDU报文
3. 侦听状态 ----Listening
   1. 可以收发BPDU报文。进行STP角色选举过程
   2. 该状态会选举出根网桥，根接口，指定接口和非指定接口
   3. 停留一个**转发延迟时间(15秒)**后，进入下一个状态
   4. 只有根端口和指定端口会进入到学习状态，而非指定端口会退回到阻塞状态
4. 学习状态 ----Learning
   1. 接收业务流量，并学习MAC地址信息 ----为了减少单播帧的洪泛
   2. 停留一个**转发延迟时间(15秒)**后，进入下一个状态
5. 转发状态 ----Forwarding
   1. 可以正常接收和转发业务数据和BPDU报文
   2. 只有根端口和指定端口可以进入该状态

STP的收敛时间

基于计时器进行收敛

1. 首次收敛 ----50S（阻塞20S + 2*转发延迟15S）

2. 根桥故障 ----50S（最大寿命20S + 2*转发延迟15S）

3. 直连链路故障 ----30S（2*转发延迟15S）

4. 非直连链路故障 ----50S（最大寿命20S + 2*转发延迟15S）

STP的相关配置

与STP有关的命令

启动STP协议，华为默认开启该协议
[sw1]stp enable

修改STP的工作模式，默认工作模式为MSTP
[sw1]stp mode stp

查看本地设备的MAC地址
[sw1]display bridge mac-address 

查看某一个接口的STP协议的运行状况
[sw1]display stp interface GigabitEthernet 0/0/3

查看STP协议运行状况
[sw1]display stp

查看STP接口状态
[sw1]display stp brief

[sw1]display stp ----查看STP协议允许状况
	需注意查看的为下图的公共区域信息

[sw1]display stp brief ----查看STP接口状态
DESI：指定接口
ROOT：根端口
ALTE：备份端口

配置STP的相关命令

修改交换机的优先级，干涉其选举根桥：

[sw1]stp root primary ----将交换机设定为根网桥，其本质是将优先级修改为0
[sw2]stp root secondary ----将交换机设定为备份根网桥，其本质是将优先级修改为4096
[sw3]stp priority 8192 ----将交换机优先级设定为8192

修改启用STP协议后的设备内其参数的相关命令

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority 数值（0-240）
	修改接口优先级，干涉PID数值

[sw1]stp pathcost-standard dot1d/dot1t/legacy
	修改本地开销值计算方法类型，全网均需要修改
  dot1d-1998  IEEE 802.1D-1998
  dot1t       IEEE 802.1T
  legacy      Legacy

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost 数值（1-200000000）
	直接修改接口cost值，该参数可以修改的范围是根据开销值计算类型而定