STP（生成树协议）

STP的基本概念

概述

• STP是一个用于局域网中消除环路的协议。
• 运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。
• STP在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。
• 由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。

桥ID

• 在STP中，每一台交换机都有一个标示符，叫做Bridge ID或者桥ID，桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768,可以修改但是修改值必须为4096的倍数。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。
• 如图，需要在该网络中选举根桥，首先比较三台交换机的桥优先级，桥优先级都为4096，再比较三台交换机的MAC地址，谁小谁优先，最终选择SW1为根桥。

根桥

• STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“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计算得出的无环拓扑的“树根”。
• 在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。
• 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，拥有最小优先级值的交换机会成为根桥；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。

Cost

• 交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。
• 华为交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供多厂商场景下最大程度的兼容性。缺省情况下，华为交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。
• 用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。

RPC（根路径开销）

• 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。

Port ID

运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由高4 bit端口优先级和低12 bit端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID可以用来确定端口角色。

BPDU

• 为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU中。
• BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。
• 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。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。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。
• TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

配置BPDU报文格式

配置BPDU比较原则

STP的计算过程

STP 中定义了三种端口角色：指定端口，根端口和预备端口。

• 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。
• 根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。
• 如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

选举根桥

• STP在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。
• 网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。
• 在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
• 根桥的角色是可抢占的。
• 为了确保交换网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0。

选举根端口

• 每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个根接口。
• 非根桥交换机上有且只会有一个根接口。
• 当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU的接口。
• 可以形象地理解为，根接口是每台非根桥上“朝向”根桥的接口。

根端口选举规则：

1. 选择RPC（根路径开销）最低的端口。
2. 若有多个端口的RPC相等，选择对端桥ID最低的端口。
3. 若有多个端口的对端桥ID相等，选择对端端口ID最低的端口。
4. 若有多个端口的对端端口相等，选择本端端口ID最低的端口。

选举指定端口

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，一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口。

指定端口的选举规则：

1. 选择RPC（根路径开销）最低的端口。
2. 若有多个端口的RPC相等，选择桥ID最低的端口。
3. 若有多个端口的桥ID相等，选择端口ID最低的端口。

堵塞预备端口

• 一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被称为预备接口。
• STP操作的最后一步是阻塞网络中的预备接口。这一步完成后，网络中的二层环路就此消除。

STP端口状态机

1.禁用（Disable）   ：不收发BPDU、不学习MAC地址、不转发业务数据。

2.阻塞（Blocking）  ：收BPDU、不发BPDU、不学习MAC地址、不转发业务数据。

3.侦听（Listening） ：收发BPDU、不学习MAC地址、不转发业务数据。

                        就是进行端口角色的选举，需要等待一个转发延迟的时间（15s）

4.学习（Learning）  ：收发BPDU、学习MAC地址、不转发业务数据。

                        就是防止大量未知单播数据帧的泛洪，需要等待一个转发延迟的时间（15s）

5.转发（Forwarding）：收发BPDU、学习MAC地址、转发业务数据。

STP拓扑变化

根桥故障

• 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

• 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 SW2 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 。

非直连链路故障

• 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。

拓扑改变导致MAC地址表错误

• 在交换网络中，交换机依赖 MAC 地址表转发数据帧。缺省情况下， MAC 地址表项的老化时间是 300 秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时 MAC 地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新 MAC 地址表项。

• 本例中， SW2 中的 MAC 地址表项定义了通过端口 GigabitEthernet 0/0/1 可以到达主机 A ，通过端口 GigabitEthernet 0/0/3 可以到达主机 B 。由于 SW3 的根端口产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机 A 到主机 B 的帧仍然不能到达目的地。这是因为 MAC 地址表项老化时间是 300 秒，主机 A 发往主机 B 的帧到达 SW2 后， SW2 会继续通过端口 GigabitEthernet 0/0/3 转发该数据帧。

• 拓扑变化过程中，根桥通过 TCN BPDU 报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成 TC 用来通知其他交换机加速老化现有的 MAC 地址表项。

• 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SW2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。