STP详解

二层环路存在的问题

1.广播风暴

根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧

2.MAC地址漂移

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的

 

STP（生成树协议）

修改模式：

[Huawei]stp mode ?
  mstp  Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) mode
  rstp  Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) mode
  stp   Spanning Tree Protocol (STP) mode

基本概念

桥ID（Bridge ID，BID）

作用：唯一标识一台STP设备

构成：桥优先级+MAC地址

桥优先级的取值范围：0-65535；默认值为32768

注：网桥就是一台交换机；

比较规则：1.比较桥优先级，越小越优。2.比较MAC地址，越小越优。

桥优先级配置：

[Huawei]stp priority ?
  INTEGER<0-61440>  Bridge priority, in steps of 4096

根桥

STP的目的就是计算出一个无环的树（STP树），而根桥就是这棵树的树根

作用：生成树进行拓扑计算

选举规则：比较BID

注：对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。

配置：

[Huawei]stp root primary ---配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。
[Huawei]stp root secondary ---配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级。
 

cost（开销）

每一个STP的接口都有一个开销

作用：用于计算根路径开销，也就是到达根的开销

注：带宽越大，开销越小

配置：

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ?
  INTEGER<1-200000000>  Port path cost

根路径开销（Root Path Cost）
 

 作用：计算网桥到达根桥的距离

计算方法：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。
 

  接口ID（Port ID，PID）

 作用：标识每台交换机的接口

构成：接口优先级（0-240，默认240）+接口编号

接口优先级配置;

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ?
  INTEGER<0-240>  Port priority, in steps of 16

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）

 BPDU是STP运行的基础，是灵魂

作用：携带交换机之间需要交换相关的信息和参数

类型：

1.配置BPDU：包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态；在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。

2.TCN BPDU：感知BPDU；当网络拓扑发生变化时，下游交换机向上游交换机发送；

报文格式：

端口存放BPDU的老化原则：

如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备继续转发配置BPDU报文
如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化

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。
配置BPDU的比较原则：

 比较消息队列{RID,RPC,BID,PID}
 

工作流程

起初，所有交换机都认为自己是根桥。

1.选举根桥

2.非根桥选举根端口

什么是根端口？？

一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口”的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。
 

 作用：保证了交换机与根桥之间工作路径的唯一性和最优性。
注意：一个非根桥设备上，最多只能有一个根端口。

3.每条链路选举一个指定端口

什么是指定端口？
网络中的每个链路与根桥之间的工作路径必须是唯一的且最优的。当一个链路有两条及以上的路径通往根桥时（该链路连接了不同的交换机，或者该链路连接了同一台交换机的不同端口），与该链路相连的交换机（可能不止一台）就必须确定出一个唯一的指定端口。

因此，每个链路（Link）选举一个指定端口，用于向这个链路发送BPDU。

注意：一般情况下，根桥上不存在任何根端口，只存在指定端口。
 

4.剩下一个接口被阻塞

什么是非指定端口（预备端口）？
在确定了根端口和指定端口之后，交换机上所有剩余的非根端口和非指定端口统称为预备端口。
阻塞非指定端口

STP会对这些非指定端口进行逻辑阻塞，即这些端口不能转发由终端计算机产生并发送的帧（用户数据帧）。

一旦非指定端口被逻辑阻塞后，STP树（无环路工作拓扑）就生成了。

注意：
非指定端口可以接收并处理BPDU。
根端口和指定端口既可以接收和发送BPDU，也可以转发用户数据帧。
 

 

STP的端口状态

Disabled：端口不处理BPDU报文，也不转发用户流量
Blocking：端口接收并处理BPDU，但是不转发BPDU，不转发用户流量；AP端口的最终状态
Listening：确定端口角色，将选举出根桥、根端口和指定端口；过渡状态
Learning：设备会根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量；过渡状态
Forwarding：端口既转发用户流量也处理BPDU报文；RP和DP端口的最终状态
注：先确定端口角色，再进行端口状态的转变

拓扑变化

根桥故障

在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
如果根桥发生了故障，停止发送BPDU，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。
如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。

端口状态：
SW3的预备端口，20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。

收敛时间：
根桥故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。
 

 直连链路故障

当两台交换机间用两条链路互连时，其中一条是主用链路，另一条为备用链路。
当网络稳定时，交换机SWB检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会进入用户流量转发状态。
端口状态：
备用端口会从Blocking状态，迁移到Listening-Learning-Forwarding状态。
收敛时间：
直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态。

非直连故障

在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
若SW1与SW2之间的链路发生了某种故障（非物理故障），因此SW2一直收不到来自根桥SW1的BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20 s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效。
此时，非根桥SW2会认为根桥失效，并且认为自己是根桥，从而发送自己的配置BPDU给SW3，通知SW3自己是新的根桥。
在此期间，SW3的预备端口一直收不到包含根桥ID的BPDU，Max Age计时器超时后，端口进入到Listening状态，开始向SW2“转发”从上游发来的包含根桥ID的BPDU。
因此，Max Age定时器超时后，SW2和SW3几乎同时收到对方发来的BPDU，再进行STP重新计算，SW2发现SW3发来的BPDU更优，就放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。
端口状态：
SW3预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。
收敛时间：
非直连故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。
 

 拓扑变化更新MAC地址表

拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：
SW3感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCN BPDU报文。
SW2收到SW3发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SW3，告知SW3停止发送TCN BPDU报文。
SW2向根桥转发TCN BPDU报文。
SW1把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300 s修改为Forward Delay的时间（默认为15 s）。
最多等待15 s之后，SW2中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SW2就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。