生成树协议 — STP
目录
一、环路的出现
1、广播风暴：
2、MAC地址表翻滚：
二、生成树
1、定义：
2、生成树使用的算法：
三、802.1D
1、BPDU：
2、TCN—拓扑变更消息（也是BPDU）：
3、部分名词：
4、不同端口的选举规则—生成树的过程：
1.根网桥选举规则：
2.根端口选举规则：
3.指定端口选举规则：
4.非指定端口选举规则：
5、端口状态：
6、cost值：
7、收敛时间：
8、802.1D 缺点：
四、PVST
1、PVST的优势：
2、工作方式：
五、PVST + ：
1、加速种类 ：
2、PVST+仍然存在的缺点：
六、快速生成树（RSTP / 8032.1w）
1、RSTP：
2、802.1w:
3、快速的原理：
4、端口角色：
5、P/A机制
6、干涉快速生成树工作：
1.边缘接口：
2.修改网桥优先级:
3.快速定义根网桥角色:
4.修改接口优先级：
5.修改接口开销(cost):
七、MSTP（MST / 802.1S）
1、多实例生成树协议（MSTP）
2、分组配置示例：
3、定义本地为组1 的主根，组2 的备份根：
4、修改优先级：
5、修改开销：
6、修改接口优先级：
一、环路的出现
在常见的内网中为了保持网络的稳定性和可靠性通常会有设备之间进行冗余 ，但是也会导致一些问题：
- 广播风暴
- MAC地址表翻滚
- 同一数据帧的重复拷贝
以上3个条件最终导致设备工作过载，导致重启保护。
1、广播风暴：
3台交换机SWA、SWB、SWC以下图的方式连接在一起，假设主机A想要给主机B发送数据，首先会发送一个ARP请求来获取主机B的MAC地址。但是由于ARP的Request包属于一个广播帧，当SWB接收到主机A发送来的广播帧时，会将该广播帧发送给所有的端口；SWA收到SWB发来的广播帧时，同样也会发送给所有端口；以此类推。这时，在SWA、SWB、SWC中就会循环往复地收发广播帧，耗费交换机资源，导致业务瘫痪。
2、MAC地址表翻滚：
环路除了会带来广播风暴的问题，还会带来MAC地址表的翻滚。当SWB第一次收到主机A发送过来的广播帧时，源MAC地址为：00-05-06-07-08-AA，源端口为G0/0/3。由于广播帧在三台交换机中循环往复的收发，当SWC将广播帧发给SWB时，SWB收到的广播帧的MAC地址依旧没变，即：00-05-06-07-08-AA。但是此时的源端口却变成了SWC的G0/0/2端口。这就是MAC地址翻滚。
二、生成树
1、定义：
在一个二层交换网络中，生成一棵树型结构，逻辑阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径（最佳路径）。当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用。
生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星型结构，且是最短路径树。
2、生成树使用的算法：
- 802.1D
- PVST (cisco私有)
- PVST+ (cisco私有)
- RSTP(802.1w)
- MSTP(802.1S）
三、802.1D
- 802.1D：生成树协议最开始的版本。
- 封装格式：
802.3 | LLC | STP - 目的组播MAC地址：01-80-C2-00-00-00
1、BPDU：
交换机间使用 桥协议数据单元（BPDU） 进行 交换机间沟通互动收发的数据。
- Protocol-id:stp协议
- Protocol-version id：stp的版本
- Bpdu-type：bpdu的类型，配置bpdu还是TCNbpdu（拓扑变化通告）
- Falgs：在STP中使用了2bit，分为TCA（拓扑变化确认），TC（拓扑变更）
- Root id：根桥ID
- Cost of path：根路径开销
- Bridge id：桥ID
- Port id：端口ID
- Message age：消息时间，每经过一台交换机，加1。所以网络不是很大。
- Max age：老化时间，20s。
- Hello time：BPDU的发送周期2s。
- Forwad delay：转发延迟，配置BPDU传播到全网最大延迟15s
开启STP后：配置BPDU 只有根网桥可以发送。
- 在交换网络初始状态时，所有交换机均定义本地为根网桥，进行BPDU的发送；使得网络中所有交换机均收到其他设备的BPDU，之后基于数据中的参数进行比对，选举出根网桥；所有非根网桥不再发送BPDU，而是仅接收和转发根网桥的BPDU；
- 发送周期hello time 2s；老化时间 20s；
2、TCN—拓扑变更消息（也是BPDU）：
- 本地交换机链路故障后STP重新收敛。
- 为了快速刷新全网所有交换机的MAC表，将向本地所有STP接口发送TCN（标记位中的TCN位 置1）。
- 邻居交换机收到TCN后，先标记为ACK位为回复，用于可靠传输消息；之后将TCN逐级转发到根网桥处，由根网桥回复TC消息来逐级回复到所有交换机。
- 使所有交换机临时将MAC表的老化时间修改为15s（默认的，转发延时）
3、部分名词：
| 序号： | 名称： | 释义： |
| 1 | 根网桥 | 在一棵生成树实例中，有且仅有一台交换机为root（根网桥）。 |
| 2 | 根端口 | 在每台非根网桥上，有且仅有一个接口。 交换机本地离根网桥最近的接口（满足：最短、星型），接收来自根网桥的BPDU，并转发用户的流量（该接口不阻塞）。 |
| 3 | 指定端口 | 在每一段存在STP的物理链路上，有且仅有一个；转发来自根网桥的BPDU，同时可以转发用户流量（不阻塞）。 默认根网桥上所有接口为指定端口。 |
| 4 | 非指定端口 | 又称：阻塞端口 当以上所有角色全部选举完成后，剩余没有任何角色的接口为非指定接口。 该接口逻辑阻塞，实际可以接收到信息，但不转发。 |
4、不同端口的选举规则—生成树的过程：
1.根网桥选举规则：
- 根网桥的选举先比较优先级——小优。网桥优先级（0-65535公有） 默认32768
- 若优先级相同，比较MAC——数值小优。MAC地址（只有存在svi接口的交换机才拥有mac地址，若存在多个mac选数值最小）
桥ID（BID）= 网桥优先级 + MAC地址
2.根端口选举规则：
- 比较从根网桥发出后，通过交换机改接口进入时的最小cost值 。
- 若入向cost值相同，则比较该接口对端设备的BID——小优。
- 若对端BID也相同，则比较该接口对端设备的接口的PID。先优级小优；若优先级一致，编号小优。
- 若连对端PID也相同，则比较本地PID——小优。
从上而下匹配，优先比较最开始的条件，若匹配则不进行后面的比较
PID（端口ID）= 接口优先级（0-240，步长16，默认128）+ 接口编号
3.指定端口选举规则：
- 默认根网桥上所有接口为指定端口。
- 比较从根网桥发出后，通过该接口进入这段链路时的cost值最小优（出向）。
- 若出向cost值相同，则比较本地链路两端的BID——小优。
- 若本地链路两端的BID相同，则比较本地链路两端的的PID。
- 若本地链路两端的PID相同，直接阻塞该端口。
4.非指定端口选举规则：
- 当以上所有角色全部选举完成后，剩余没有任何角色的接口为非指定端口。
5、端口状态：
- down：没有BPDU收发，一旦可以进行BPDU收发进入下一状态。
- 侦听：强制15s。所有交换机进行BPDU收发，选举所有角色。接口角色为非指定端口直接进入阻塞状态；若为指定端口和根端口进入下一状态。
- 学习：强制15s。指定端口和根端口学习所有接口连接设备的MAC地址，生成MAC表。之后进入下一状态。
- 转发：指端端口和根端口进入，可以转发用户报文。
- 阻塞：逻辑阻塞。
注：只有到接口进入到转发状态后，才能为用户转发数据报文，之前的30s不能转发任何数据。
华为端口状态：
6、cost值：
- 不同带宽 存在不同cost
[SWA]stp pathcost-standard ? 默认华为使用802.1t标准
dot1d-1998 IEEE 802.1D-1998
dot1t IEEE 802.1T
legacy Legacy
生成协议中，至少应该将根网桥干涉到汇聚层处；
7、收敛时间：
- 初次收敛：
30s = 15侦听+15s学习
- 结构变化：
存在直连检测：本地存在阻塞端口，若其他端口断开，该阻塞端口马上入15s侦听（选举）；结果若为启用，那么将再进入15s学习— —总30s
没有直连检测：本地不存在阻塞端口，若某个端口断开，将发送次优BPDU（以本地为根）给其他邻居交换机，其他交换机无视该数据，进行20s hold time计时，计时结束阻塞接口进入15s侦听，15s学习— —总50s
8、802.1D 缺点：
- 收敛慢
- 链路利用率低
四、PVST
- PVST是cisco私有协议——基于vlan的生成树协议。
1、PVST的优势：
优于802.1D的是能够一定程度上的改善链路利用率底的问题。
2、工作方式：
在每个vlan内，存在一棵树，每个树的工作原理同802.1d一致。不同的是vlan的BPDU区别在于优先级。
优先级=4096倍数 + vlan id 人为仅可修改4096倍数备份，且只能修改为4096的整数倍。
仅支持trunk干道封装为ISL（cisco私有封装）
五、PVST + ：
- PVST同样是Cisco的私有协议，在PVST的基础上，兼容802.1q的trunk封装，且设计了部分的加速
1、加速种类 ：
- 端口加速（进入层连接用户的接口）
- 上行链路加速：针对直连检测
- 骨干加速：针对次优BPDU
上行链路加速：仅在接入层设备上配置，因为配置后，该交换机将自动加大本地的网桥优先级；在直连检测条件下阻塞接口将跳过30s，直接进入转发状态--上行链路加速
骨干加速：所有交换机均可配置，针对接收到次优BPDU的阻塞端口可以跳过20s的老化时间。
2、PVST+仍然存在的缺点：
- 收敛慢（加速不彻底）
- 树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）
六、快速生成树（RSTP / 8032.1w）
1、RSTP：
- RSTP是cisco的私有协议。 基于vlan的快速生成树—— 一个vlan一棵树
- pvst+的升级版
2、802.1w:
- 802.1w：即公有的RSTP。基于整个交换网络一棵树。
- 802.1d的升级
3、快速的原理：
- 取消了计时器。在一个状态工作完成后，直接进入下一状态。
- 分段式同步，两台设备间逐级收敛，使用请求和同意标记，依赖标记位的第1和第6位。
- BPDU的保活（老化）为 6s（=3*hello time）；hello time 2s；
- 将端口加速（边缘接口）、上行链路加速、骨干加速 进行了集成。
- 兼容802.1d和PVST，但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位，故不能快速收敛。因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛，那么其他开启快速收敛的设备也不能快速。
- 当tcn消息出现时，不需要等待根网桥的BPDU，就可以刷新本地的cam表.
切记:接口默认为半双工时，即便允许RSTP，依然基于慢速的802.1D算法来收敛。
4、端口角色：
- 保留项：根端口、指定端口
- 增加项：预备端口、备份端口
- 预备端口 为根端口的备份，实现快速切换。
- 备份端口 为指定端口的备份，需要P/A机制进行切换。同时不转发数据（与阻塞端口相同）
5、P/A机制
- 涉及Flags中的Proposal位和Agreement位。
- 作用：使指定端口快速进入forwading状态.
- 当一个接口成为指定接口后，交换机发送RST-BPDU中其中标志位P位置1，Role位为11，向外发送。
- 其他交换机收到收到proposal报文，阻塞非边缘端口之外的所有非边缘端口。并且发送RST BPDU中的标志位 Agreement位置1。
- 交换机收到标志位中的同意位置1的BPDU之后，立即进入转发状态。
- 当一个端口被选举成为指定端口之后，在STP中，该端口至少要等待一个Forward Delay（Learning）时间才会迁移到Forwarding状态。而在RSTP中，此端口会先进入Discarding状态，再通过Proposal/Agreement机制快速进入Forward状态。这种机制必须在点到点全双工链路上使用。
在PA机制选举时，非边缘指定端口要进入阻塞状态，防止临时环路。因为PA机制选举完成之后会立即进行转发状态，如果其他交换机的原来是指定端口、对端是根端口时为转发状态还没来得及切换到阻塞状态，会造成临时环路。
6、干涉快速生成树工作：
1.边缘接口：
- 用于连接PC的接口
- 一旦被设定为边缘接口将不再进行BPDU的发送，且不进行STP的收敛，直接为转发状态。
- 但若该接口收到了对端的BPDU，将失去边缘特性，重新正常收敛。
[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable #定义为边缘端口2.修改网桥优先级:
[sw1]stp priority ? INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 40963.快速定义根网桥角色:
[sw1]stp root ? primary Primary root switch #定义为根网桥secondary Secondary root switch #定义为备份根网桥4.修改接口优先级：
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 165.修改接口开销(cost):
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ?INTEGER<1-200000000> Port path cost七、MSTP（MST / 802.1S）
1、多实例生成树协议（MSTP）
- 华为设备默认使用该协议
- 继承了快速生成树的基础，基于组的生成树，将多个vlan放置于一个组内形成一棵生成树。
- 默认存在组0，且所有vlan默认处于该组。优先级= 32768 + 0
不同组间的BPDU中优先级= 4096倍数 + 组号
2、分组配置示例：
[sw1]stp enable
[sw1]stp region-configuration
[sw1-mst-region]region-name a #所有设备应在一个组内
[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5 #组一划入vlan 1 到 vlan
5
[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10
[sw1-mst-region]active region-configuration #激活当前配置（必须配置该指令）切记：若将创建某个组，但该组内的vlan在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口，该组将没有任何信息。整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致。
3、定义本地为组1 的主根，组2 的备份根：
stp instance 1 root primary #优先级修改为0（定义为组1的根）
stp instance 2 root secondary #优先级修改为4096（定义为组2的备份根）4、修改优先级：
[sw1]stp instance 1 priority ?INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 40965、修改开销：
[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 cost ?INTEGER<1-200000000> Port path cost6、修改接口优先级：
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 port priority ?INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16