STP生成树协议

环路

什么是环路？

比如说我们配置两台交换机，经过交换机a的时候查找ARP表正好查到了交换机b的mac，到了交换机b又查找ARP表，查到了交换机a......以此往复，帧就会在这两个交换机之间传来传去。也就是形成了环路。

产生原因

二层环路：主要存在于交换机之间

        1. 为了提高网路的冗余性，构建的物理环路

        2. 误解造成的

三层环路：主要存在于路由器间

        1. 路由配置错误

        2. 双点双向路由引入情景下没有手动配置防环措施

结果

1. 导致网络不同，无法通信

2. 导致广播风暴，网络瘫痪（交换机收到未知数据后会进行泛洪）

3. 导致MAC地址漂移，网络访问失败

4. 占用内存，性能下降

解决方法

二层环路：

        1. 链路聚合

        2. 生成树

        3. 堆叠

三层环路：

        1. 数据层面，TTL

        2. 设备层面，三层接口天然隔离广播域

        3. 路由层面，动态路由存在对应的防环措施

STP基础概念

作用

解除二层环路，同时提供链路备份能力，这也是STP两个功能。

版本

802.1D----STP生成树

802.1S----RSTP快速生成树

8020W----MSTP多实例生成树

BPDU报文【参考】

STP采用的协议报文，全称为Bridge Protocol Data Unit，也称为配置消息。STP通过在设备间传递BPDU报文来确定网络的拓扑结构，并完成生成树的计算。该报文被封装在以太网数据帧中。

分类：

• 配置BPDU：STP用来进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文 --0x00
  • 普通配置BPDU
  • TC BPDU：根桥发送，代表网路发生变化，收到该报文后非根桥清空MAC表重新学习
• RST BPDU：RSTP用来进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文 --0x02 version 2
• MST BPDU：MSTP用来进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文 --0x02 version 3
• TCN BPDU：非根桥感知到网络拓扑发生变化时，用来通知根桥的报文 --0x80

Hello Time：缺省为2秒，发送两个相邻BPDU的时间间隔

Forward Delay：缺省为15秒，控制Listening和Learning状态的持续时间

Max age：缺省为20秒，华为默认为18秒

主要内容：根ID（根交换机的桥ID，陌生的概念会在后面给出，先往下看），自己的桥ID，端口ID，到根的路径开销。

STP工作

角色划分

交换机角色：根桥、非根桥

接口角色：

        标准规则下：RP(根端口)， DP(指定端口) ，NDP(非指定端口)

        华为规则下：RP(根端口)， DP(指定端口)， AP(代替端口，根端口的备份) ，BP(备份端口，指定接口的备份)

选举规则【参考】

BID（桥id）

每一个交换机都存在一个BID，由桥优先级(16bit)和MAC地址(48bit)构成。其中桥优先级是可以配置的，取值范围是[0, 61440]，默认值为32768，若修改须设置为4096整数倍。

PID（端口id）

运行STP的交换机使用PID来标识每一个端口，PID可以用来确认端口角色，由端口优先级(4bit)和端口编号(12bit)构成。其中端口优先级是可以配置的，取值范围是[0, 240]，默认值为128，若修改须设置为16整数倍。

根桥选举规则

优先选择BID小的，先比较优先级，再比较MAC地址。

选举完成后，只有根交换机会定期发送BPDU（每2s一次），非根交换机只能转发BPDU。

端口选举规则

必须先选择根桥后才可以进行端口选举。

• 选举DP：
  • 根交换机上的所有端口都是DP，除非端口连着的是hub，那可能出现一个是DP其他是AP的情况
  • 转发BPDU的是DP
  • 一段链路上只有一个DP
  • 优选花销小的（COST值）
  • 花销相同，优选BID小的
  • BID相同，优选发出PID小的
  • PID相同，优选接收PID小的
• 选举RP：
  • 一般接收DP端口发出BPDU的是RP
  • 一个交换机只有一个RP
  • 优选花销小的
  • 花销相同，优选BID小的
  • BID相同，优选发出PID小的
  • PID相同，优选接收PID小的
• 选举AP：
  • 作为RP备份
  • 一般出现于链路一段是DP，但是本交换机已经有RP的情况（因为一个交换机只有一个RP）
• 选举BP：
  • 作为DP备份
  • 一般出现于和BP端口路径相同但是相连在同一个HUB的情况

接口状态

标准规则下：

• disabled：不收发任何报文（接口处于shutdown）
• blocking：不接收也不转发帧，接收单不发送BPDU，不学习MAC地址（20s）
• listening：不接收也不转发帧，接收并且发送BPDU，不学习MAC地址（15s）
• learning：不接收也不转发帧，接收并且发送BPDU，学习MAC地址（15s）
• forwaring：接收并且转发帧，接收并且发送BPDU，学习MAC地址

华为规则下使用的是RSTP，只有三种端口状态：

• discarding：不转发不学习（相当于disabled + blocking + listening）（18s）
• learning：不转发但是学习 （15s）
• forwarding：既转发又学习 

拓扑变更：

交换机判断拓扑发生变化有两种情况：

1. 指定桥（交换机）发现DP端口故障

2. AP端口变成forwarding状态，且指定桥至少有一个DP端口

满足以上任何其一都会从RP端口发送TCN-BPDU报文，通知根桥拓扑发生变化。

收敛机制

备份链路激活

• 不存在备份接口：主链路故障重新恢复时间--18+15=33s / 20+15+15=50s
• 存在备份接口：恢复时间--备份接口从blocking状态转变为listing状态再转变为learning状态 15+15=30s

MAC清空

• 根桥感知故障，发送TC-BPDU，非根桥收到后：
  • 标准情况下，Max age（老化时间）调整为15s
  • 华为情况下，MAC表立刻清空
• 拓扑变更：
  • 标准情况下，原端口进入disabled状态；备份端口进入forwarding状态
  • 华为情况下，备份端口进入forwarding

STP改进

STP不足

1. 收敛慢
2. 无法实现负载分担
3. 拓扑变更判断机制容易导致网络振荡

RSTP改进

• 判断拓扑改变：一个非边缘端口变成了forwarding状态。
• 引入边缘端口：如果某一个指定端口位于整个网络的边缘，即不再与其他交换设备连接，而是直接与终端设备直连，这种端口就是边缘端口。【什么情况下需要配置STP边缘端口】
• 加快收敛
  • 端口角色的选举：一旦端口角色确定，直接进入forwarding状态
  • 备份链路：存在备份端口，设备在主端口故障，备份端口会直接进入forwarding状态
  • 拓扑变更：感知到拓扑发生变化的交换机直接发送TC-BPDU
  • 终端链路：设置边缘端口，边缘端口up之后立刻进入forwarding，不需要计时器过渡等待
• 引进P/A

STP部署相关命令

1. 修改桥优先级：stp priority [N] //如果要指定根桥，N直接等于0即可；修改值必须为4096倍数
2. 修改端口优先级：进入要修改的端口后，stp port priority [N] //N必须为128倍数
3. 指定边缘接口：
   1. stp edged-port default 
   2. 进入指定端口后，stp edged-port enable //边缘端口打开