新华三H3CNE网络工程师认证—STP基本概念

生成树协议（Spanning Tree Protocol，简称 STP），作为一种用于消除局域网环路的关键协议，遵循 IEEE 802.1D 标准。其工作机制是将部分冗余链路强制设置为阻塞状态，使其余链路处于转发状态，以此把原本的环形网络结构转换为无环路的树形网络结构，从而达成消除网络环路的目的。当处于转发状态的链路出现故障不可用时，STP 会自动重新配置网络，激活合适的备用链路，使其从阻塞状态转变为转发状态，进而恢复网络的连通性 。

一、企业网网络架构

在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路。

二层的环路会带来广播风暴，MAC地址表震荡，重复数据帧等问题，为解决交换网络中的环路问题，提出了STP。

二、二层交换机

交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整。
因此，生成树既能解决而成环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

三、二层及三层环路

1、三层环路（Layer 3 Loop）

常见根因：路由环路
动态路由协议有一定的防环能力
IP报文头部中的TTL字段可用于防止报文被无止尽地转发

2、二层环路（Layer 2 Loop）

常见根因：网络中部署了二层冗余环境，或人为的误接线缆导致
需借助特定的协议或机制实现二层防环
二层帧头中并没有任何信息可用于防止数据帧被无止尽地转发

四、STP的基本概念：桥ID

1、桥ID（Briage ID，BID）

IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成。
每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。
BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。
在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥

备注：此处网桥（Bridge），或者桥也就是交换机

2、根桥（Root Bridge）

STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一颗无环的“树”（STP树）。
根桥是一个STP交换网络中的“树根”
STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要"参考点"，是STP计算的出的无环拓扑的”树根“。
在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先，拥有最小优先级的减缓及会成为根桥；如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。

3、开销（Cost）

（1）每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。
（2）接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。
（3）接口带宽越大，则Cost值越小
（4）用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。

4、Cost计算方法

接口速率	接口模式		STP开销
		IEEE 802.1d-1998标准	IEEE 802.1t标准
100Mbps	Half-Duplex	19	200,000	200
100Mbps	Full-Duplex	18	199,999	199
100Mbps	Aggregated Link 2 Ports	15	100,000	180
1000Mbps	Full-Duplex	4	20,000	20
1000Mbps	Aggregated Link 2 Ports	3	10,000	18
10Gbps	Full-Duplex	2	2000	2
10Gbps	Aggregated Link 2 Ports	1	1000	1
40Gbps	Full-Duplex	2	500	2
40Gbps	Aggregated Link 2 Ports	1	250	1
100Gbps	Full-Duplex	2	200	2
100Gbps	Aggregated Link 2 Ports	1	100	1
		……

接口Cost是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值，该值存在默认值，与接口的速率有关联，并且设备使用不同的算法时，相同的接口速率对应不同的Cost值。

5、根路径开销（RPC）

在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”，也即RPC。

一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。

在本例中，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。

6、接口ID（Port ID，PID）

运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举制定接口。

接口ID由两部构成，高4 bit是接口优先级，低12bit是接口编号。

激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在新华三交换机上，该值为128。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。

五、配置BPDU的比较原则

1、无环拓扑

对于STP而言，最重要的工作就是在交换网络中计算出一个无环拓扑。在拓扑计算的过程中，一个非常重要的内容就是配置BPDU的比较。在配置BPDU中，有四个字段非常关键，他们是“根桥ID”、“根路径开销”、“网桥ID”以及“接口ID”，这四个字段便是交换机进行配置BPDU比较的关键内容。

字段
协议ID
协议版本ID
类型
标志
根桥ID
根路径开销
网桥ID
接口ID
消息寿命
最大寿命
Hello时间
转发延迟

2、顺序

STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU：
①最小的根桥ID
②最小的PRC
③最小的网桥ID
④最小的接口ID

在这四条原则红（每条原则都对应配置BPDU中的相应字段），第一条原则主要是用于在网络中选择根桥，后面的原则主要是用于选择根接口及指定接口。