STP生成树协议

STP协议

Spanning Tree Protocol，生成树协议，用作于二层链路；通过发送协议报文BPDU确定网络的拓扑结构，生成类似树形状的拓扑结构，能够有效的避免二层环路的产生。

         

STP协议怎样防止二层链路形成环路

先来了解一下什么是环路，形成环路有什么问题？

交换机的工作机制就是根据自己所学习MAC地址表进行数据转发，当转发数据的目的地址没有出现在其地址表中，就会被泛洪到其他交换机；若其他交换机都没有开启STP协议，就会一直重复以上过程；这样就形成了环路。

  

PC1向PC2发送数据，数据从HUB1的2口发出，并在1口进行泛洪；HUB2的1口在收到数据后，同时在2口进行泛洪，数据又反回到HUB1；而在HUB1的2口收到数据后，又会向1口泛洪，一直重复转发，直到超过死亡时间，造成整个链路拥堵。
链路存在环路是非常严重的问题，会无限制地浪费带宽以及占用资源

• STP协议通过堵塞端口来达到消除环路。

       

未开启STP协议时，在转发数据时数据会在链路中进行无休止的转发，堵塞的链路，造成了网络故障。
开启STP后，交换机会根据STP的工作原理，将某些端口进行堵塞，并在网络拓扑发生改变的时候进行开放，达到链路的保护。

STP的工作原理

STP生成树协议，顾名思义是要生成一棵树；每颗树都有一个根，所以STP协议就是从选根开始的。STP会根据选举规则选中一台交换机作为根桥，并且依靠这个根桥STP会选举出根端口以及指定端口，最后会把既不是根端口又不是指定端口的端口进行堵塞。

• 根桥：桥ID最小的交换机；桥ID就是代表这一个交换机，每一个交换机都有者不同的桥ID。 默认桥ID的优先级是32768（可以手动修改）,MAC地址越小的就是根桥；除根桥外，其他的交换机都叫做非根桥。
      
• 根端口：根端口就是一台非根桥到根桥开销最小的路径所经过的本地端口；这个最小开销也叫做根路径开销，并且根端口不会出现在根桥上，只会在非根桥上；根端口作为非根桥与根桥之间交换报文的端口，在一台非根桥上是唯一的。

        

• 指定端口：指定端口是STP专门指定的每个网段发往根桥方向的端口，以及转发根桥数据的端口。

       

• 预备端口：未被选上根端口或指定端口的剩余端口就是预备端口；预备端口不转发数据，但可以接收数据，以便在网络拓扑发生改变时，能够回复预备端口，重新通信。

STP的工作流程

STP协议的工作流程就是选举根桥、根端口、指定端口以及堵塞预备端口，而选举这些端口以及堵塞端口都是按照选举规则进行；不同的端口都有着不同的选举规则。并且各种端口的选举是有顺序存在的，只有根桥选举出后，才能继续选举根端口与指定端口，在整个选举结束后，才会进行预备端口的堵塞。

• 根桥选举：在所有交换机刚开启STP协议时，每台交换机都会以自己是根桥发送BPDU报文到其他交换机，在BPDU报文中，包含了各自的BID信息（桥ID），在收到其他交换机发送的BPDU报文后，会比较各自的BID，拥有较小的BID就选举为根桥。
• 根端口选举：在选定了根桥后，其他交换机都是非根桥，而一台非根桥到根桥的路径肯定不止一条，需要找到最优的一条路径，负责转发根桥与非根桥之间的数据，而这条路径所经过的本地端口就是根端口；在选举过程中，首先比较路径开销，开销小的端口就是根端口；若多个端口路径开销相同，则比较上行桥ID，上行桥ID小的端口为根端口；若上行桥ID相同则比较上行桥端口ID，上行桥端口ID小的端口为根端口。
• 指定端口选举：在交换机之间，相同的网段而去往根桥的路径也存在多条，指定端口的选举就是确定负责转发网段数据的端口；其选举规则与选举根端口时大致相同。
• 阻塞预备端口：完成了根端口与指定端口的选举后，剩下未被选上的端口就是预备端口，STP会将预备端口进行逻辑堵塞，堵塞表示不可以发送但可以接收BPDU，以保证网络拓扑发生变化或故障时，能够继续工作。

STP规定了5种端口状态：

当端口启用STP协议后，端口会经过一系列状态计算选举出根端口、指定端口、预备端口；在选举的整个过程中端口先进入Listenning状态后，经过一个时间周期后，会进入learning状态；继续等待一个时间周期后，会进入Forwarding状态，也就是STP的端口稳定状态。

• Disabled：关闭状态，端口没有启用STP协议，不学习MAC地址表，不转发数据帧，不会参与生成树协议。
• Blocking：阻塞状态，端口不学习MAC地址表，不转发数据帧，不发送BPDU，只对BPDU的接收。
• Listening：倾听状态，端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，但参与生成树运算，接收并发送BPDU。
• Learning：学习状态，端口不转发数据帧，学习MAC地址表，参与生成树运算，接收并转发BPDU。
• Forwarding：转发状态，端口正常转发数据帧，学习MAC地址表，参与生成树协议，接收并发送BPDU。