🕒 1. STP技术工作原理
以太网交换机使用生成树协议STP（Spanning Tree Protocol），可以在提高网络可靠性的同时又避免环路带来的各种问题。
生成树算法STA（Spanning Tree Algorithm）是生成树协议STP的核心。它的实现目标是：在包含有物理环路的网络中，构建出一个能够连通全网各节点的树型无环逻辑拓扑。
STP协议由IEEE 802.1D 定义，描述时使用的是“网桥”，由于“交换机”的本质是“多端口网桥”，接下来都使用“网桥”来描述。
生成树算法的三个步骤：
- “选举”根交换机
- “选举”根端口
- “选举”指定端口并阻塞备用端口
注：这里所谓的“选举”，是通过网络中各交换机相互发送生成树协议专用的数据帧来实现的，这些交换信息的报文称为网桥协议数据单元，简称BPDU。
选举根交换机：
- 根交换机的选举条件：网桥ID（BID）最小者当选。
- 网桥ID（BID）由以下两部分构成：
- 优先级（2字节）
- 范围：0 - 61440（也有说法是65535）
- 步长：4096
- 默认值：32768
- 交换机的基本MAC地址（6字节）
- 优先级（2字节）
- 网桥ID （BID）的比较方法：
- 优先级取值越小，则网桥ID（BID）就越小。
- 若优先级相同，则比较MAC地址，从MAC地址的左侧开始依次比较，数值小的，则网桥ID（BID）就小。
选举根端口：
- 在每一个非根交换机上选出一个根端口RP（Root Port），并且只能是一个。
- 根端口RP用于接收根交换机发来的BPDU，也用来转发普通流量。
- 根端口RP的选举条件：
- BPDU接收端口到根交换机的路径成本（端口开销）最小。
链路带宽 成本值 4 M b / s 250 10 M b / s 100 16 M b / s 62 100 M b / s 19 1 G b / s 4 10 G b / s 2 \begin{array}{|c|c|} \hline {\text { 链路带宽 }} & \text { 成本值 } \\ \hline 4 Mb/s & 250 \\ \hline 10 Mb/s & 100 \\ \hline 16 Mb/s & 62 \\ \hline 100 Mb/s & 19 \\ \hline 1 Gb/s & 4 \\ \hline 10 Gb/s & 2 \\ \hline \end{array} 链路带宽 4Mb/s10Mb/s16Mb/s100Mb/s1Gb/s10Gb/s 成本值 250100621942 - 对端的网桥ID（BID）最小。
- 对端的端口ID（PID）最小。
- 优先级范围（1 - 4bit）
- 范围：0 - 240
- 步长：16
- 默认值：128
- 端口号（5 - 16bit）
- 优先级范围（1 - 4bit）
- BPDU接收端口到根交换机的路径成本（端口开销）最小。
选举指定端口（Designated Port）并阻塞备用端口（预备端口）：
- 在每一个网段上选出一个指定端口DP ( Designated Port）并且只能是一个。
- 指定端口DP用于转发根交换机发来的BPDU，也用来转发普通流量。
- 指定端口DP的选举条件：
- 根交换机的所有端都是指定端口DP。
- 根端口的对端端口一定是指定端口DP。
- BPDU转发端口到根交换机的路径成本最小。
- 本端的网桥ID（BID）最小。
- 本端的端口ID（PID）最小。
- 剩余端口成为备用端口AP（Alternate Port），将它们阻塞。
端口状态描述：
| 端口状态 | 描 述 |
|---|---|
| Disabled（端口没有启用） | 此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，不参与生成树计算。 |
| Listening（侦听状态） | 此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，只参与生成树计算，接收并发送BPDU。 |
| Blocking（阻塞状态） | 此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，此状态下端口接收并处理BPDU，但是不向外发送BPDU。 |
| Learning（学习状态） | 此状态下端口不转发数据帧，但是学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。 |
| Forwarding（转发状态） | 此状态下端口正常转发数据帧，学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。 |
- 当端口正常启用之后，端口首先进入Listening状态，开始生成树的计算过程。
- 如果经过计算，端口角色需要设置为预备端口（Alternate Port），则端口状态立即进入Blocking；
- 如果经过计算，端口角色需要设置为根端口（Root Port）或指定端口（Designated Port），则端口状态在等待Forward Delay之后从Listening状态进入Learning状态，然后继续等待Forward Delay之后，从Learning状态进入Forwarding状态，正常转发数据帧。
🕒 2. BPDU报文
STP生成树的计算，根端口、指定端口的选举，都是借助BPDU（Configuration Bridge Protocol Data Unit）报文进行信息的传递和交换的。
BPDU报文有两类：配置BPDU和TCN BPDU
🕘 2.1 配置BPDU
- 配置BPDU使用标准LLC格式封装在以太网数据帧中。
- 配置BPDU只在指定端口（Designated Port）上发送。
DMAC：目的MAC地址。发送配置BPDU的数据帧使用保留的组MAC地址01-80-C2-00-00-00，此地址标识所有交换机，但是不能被交换机转发，也即只在本地链路有效。LLC Header：目的服务访问点（Destination Service Access Point, DSAP）和源服务访问点（Source Service Access Point, SSAP）的值都设为二进制01000010。Ctrl字段的值设为3。
- 当STP初始计算选举根交换机时，各个交换机主动生成并发送配置BPDU。
- 选举结束后，只有根交换机才能主动生成并发送配置BPDU
- 非根交换机只有在自己的根端口收到配置BPDU报文才能根据收到的报文生成配置BPDU从指定端口发送。
配置内容：
报文标识：
| 参数 | 比特数 | 描 述 |
|---|---|---|
| Protocol Identifier （协议标识） | 16比特 | 取值0x0000 |
| Protocol Version Identifier （协议版本标识） | 8比特 | 取值0x00 |
| BPDU Type （BPDU类型） | 8比特 | 配置BPDU报文取值0x00 拓扑改变通知BPDU报文取值0x80 |
| Flags （标志） | 8比特 | 配置BPDU报文取值0x00 拓扑改变配置BPDU报文取值0x01 拓扑改变确认配置BPDU报文取值0x80 |
STP计算：
| 参数 | 比特数 | 描 述 |
|---|---|---|
| Root Identifier | 64比特 | 当前根交换机的桥ID |
| Root Path Cost | 32比特 | 发送该BPDU报文的交换机的根路径开销 |
| Bridge Identifier | 64比特 | 发送该BPDU报文的交换机的桥ID |
| Port Identifier | 16比特 | 发送该BPDU报文的端口ID |
时间参数：
| 参数 | 比特数 | 描 述 |
|---|---|---|
| Message Age | 16比特 | 该BPDU报文从根桥发送到当前交换机的总时间，随时间增长而变大，若达到Max Age，则此配置BPDU被认为已经过期 |
| Max Age | 16比特 | BPDU报文的最大生命周期，默认取值20s |
| Hello Time | 16比特 | 交换机发送配置BPDU的报文周期，默认取值2s |
| Forward Delay | 16比特 | 端口Listening和Learning状态的持续时间，默认取值15s |
🕘 2.2 TCN BPDU
如果网络拓扑发生了变化，会触发STP 的重新计算，新的生成树拓扑可能会跟原先的网络拓扑存在一定的差异。
在交换机上，指导报文转发的是MAC 地址表，默认的动态表项的生存时间是300 s，此时，数据转发如果仍然按照原有的MAC 地址表，会导致数据转发错误。
为防止拓扑变更情况下的数据发送错误，STP 中定义了拓扑改变消息泛洪机制。
当网络拓扑发生变化的时候，除了在整网泛洪拓扑改变信息外，同时修改MAC 地址表的生存期为一个较短的数值，等拓扑结构稳定之后，再恢复MAC 地址表的生存期。
在向整网泛洪拓扑改变信息的过程中，共涉及三种BPDU：
- 拓扑改变通知BPDU：
TCN（Topology Change Notification） BPDU。用于非根交换机在根端口上向上行交换机通告拓扑改变信息，并且每隔Hello Time（2秒）发送一次，直到收到上行交换机的拓扑改变确认配置BPDU或者拓扑改变配置BPDU。 - 拓扑改变确认配置BPDU：
TCAN（Topology Change Acknowledgment Configuration） BPDU。配置BPDU的一种，和普通配置BPDU不同的是此配置BPDU设置了一个Flag位。用于非根交换机在接收到拓扑改变通知BPDU的指定接口上向下行交换机发送拓扑改变通知的确认信息。 - 拓扑改变配置BPDU：
TCC（Topology Change Configuration） BPDU。此配置BPDU设置了另外一个Flag位。用于从根交换机向整网泛洪拓扑改变信息，所有交换机都在自己所有的指定端口上泛洪此BPDU。
SWA收到SWB发送的拓扑改变通知BPDU之后，每隔2秒向网络中发送拓扑改变配置BPDU（设置了一个Flag位的配置BPDU），使网络中所有的交换机都把MAC地址表的生存期修改为Forward Delay（15秒），经过一段时间（Max Age加上Forward Delay，默认为35秒）之后，SWA（根交换机）在自己发送的配置BPDU中，清除Flag位，表示网络拓扑已经稳定，网络中的交换机恢复MAC地址生存期。
拓扑改变通知BPDU格式：
| 参数 | 字节数 | 内容 |
|---|---|---|
| 2字节 | Protocol Identifier | 0x0000 |
| 1字节 | Protocol Version Identifier | 0x00 |
| 1字节 | BPDU Type | 0x80 |
拓扑改变确认配置BPDU和拓扑改变配置BPDU都是配置BPDU的一种，和普通的配置BPDU不同的是：
- 普通的配置BPDU中Flag字段全部设置为0；
- 拓扑改变确认配置BPDU将Flag字段的第8位设置为1；
- 拓扑改变配置BPDU将Flag字段的第1位设置为1。
🕒 3. 实验：了解STP生成过程
题目：作为公司的网络管理员，公司的网络使用了两层网络结构，核心层和接入层，在接入层采用了冗余网络，为避免存在的环路问题，决定使用STP 来进行环路控制。
| 设备 | 接口 | 接口类型 | 所属VLAN | 允许通过VLAN |
|---|---|---|---|---|
| IOU1 | Ethernet 0/0 | Trunk | ALL | |
| Ethernet 0/1 | Trunk | ALL | ||
| IOU2 | Ethernet 0/1 | Trunk | ALL | |
| Ethernet 0/2 | Trunk | ALL | ||
| Ethernet 0/3 | Access | VLAN 10 | ALL | |
| IOU3 | Ethernet 0/1 | Trunk | ALL | |
| Ethernet 0/2 | Trunk | ALL | ||
| Ethernet 0/3 | Access | VLAN 10 | ALL |
| 设备 | 接口 | IP地址 |
|---|---|---|
| PC-1 | Ethernet 0 | 192.168.1.1/24 |
| PC-2 | Ethernet 0 | 192.168.1.2/24 |
实验步骤：
1、交换机基本配置
（1）在IOU1、IOU2、IOU3上创建vlan 10
（2）在IOU1、IOU2、IOU3上配置access口和trunk口
2、PC配置IP地址
3、STP基本配置
（1）在思科二层交换机中，STP是默认开启的。
（2）查看生成树的情况。（根网桥ID、交换机ID、各端口角色）
IOU1#show spanning-tree
IOU2#show spanning-tree
IOU3#show spanning-tree
可以看到，对于IOU3，e0/1为根端口，e0/2为预备（alternative）端口。
（3）测试PC1到PC2的连通性
（4）关闭IOU3的e0/1口，再次查看生成树的情况
IOU3(config)#int e0/1
IOU3(config)#shutdown
（5）再次测试PC1到PC2的连通性
（6）重新打开IOU3的e0/1口，更改IOU3的优先级，使其成为根网桥
IOU3(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096
（7）再次查看生成树的情况
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作者：HinsCoder
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