【网络基础】STP原理

目录

一. 概念
二. STP工作原理

1. 二层交换网络
2. 广播风暴
3. MAC地址表震荡
4. STP的作用
5. STP操作
6. 跟桥选举
7. 根端口选举
8. 端口状态转换
9. BPDU
10. 计时器
11. 故障

一．概念

为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

二．STP工作原理

1. 二层交换网络

二层交换网络中会有多条链路互连，虽然提升网络可靠性，但也会带来环路问题

2. 广播风暴

如图，例如主机A发送一个广播帧，SWB会执行泛洪操作，转发给SWA和SWC，此时SWA也收到一个广播帧，也会执行泛洪，发送给SWC，此时SWC收到了两次广播帧，并且自己又会执行泛洪操作发给主机B和SWB，SWB又会泛洪给主机A和SWA，无限循环。这就造成了一个广播风暴。

3. MAC地址表震荡

主机A发送数据帧后MAC地址和G0/0/3接口形成对应关系存在SWB的MAC地址表中，在环路中进行转发操作后又回到SWB与G0/0/2接口形成对应关系存入SWB的MAC地址表中，就会造成地址表震荡。

4. STP的作用

• 消除环路：逻辑阻塞一条链路
• 链路备份：

5. STP操作

1. 选举一个根桥。
2. 每个非根交换机选举一个根端口。
3. 每个网段选举一个指定端口。
4. 阻塞非根（既不是根端口又不是指定端口）、非指定端口。

端口角色：

• RP：根端口（非根桥向根桥发送数据）
• DP：指定端口（发送BPDU）
• AP：阻塞端口（只能接受BPDU）

6. 根桥选举

通过BPDU（桥数据单元）中的BID（桥优先级（必须是4096的倍数，缺省值为32768）+设备MAC地址）来选举根桥，BID越小，优先级越大。

交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。

7. 根端口选举

非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID、对端PID（端口号+端口优先级（缺省值为128））和本端PID。

8. 指定端口选举

非根交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、本端BID、本端PID。
未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞（阻塞端口）。

9. 端口状态转换

• Disabled：禁用状态（不收发任何报文）
• Blocking：阻塞状态（不收发数据，但收BPDU）
• Listening：监听状态（不收发数据，但可以发送并接受BPDU）
• Learning：学习状态（不收发数据，但可以收发BPDU并开启地址学习）
• Forwarding：转发状态（收发数据和BPDU，并且可以进行地址学习）

1. 端口初始化或使能;
2. 端口被选为根端口或指定端口。
3. 端口不再是根端口或指定端口。
4. forward delay计时器超时。
5. 端口禁用或链路失效。

10. BPDU

• PID：协议ID
• PVI：协议版本
• BPDU Type：
  配置BPDU
  TCN BPDU
• Flags：标识位
  TC：拓扑变化标识
  TCA：拓扑变化确认标识
• Root ID：根桥ID
• RPC：根路径开销
• Bridge ID：桥ID
• Port ID：端口ID
• Message age：生存期
• Max age：最大生存期（20s）
• Hello time：发送BPDU的时间间隔
• Fwd delay：转发延迟（15s）

11. 计时器

配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age都加1。
如果Message Age大于Max Age，非根桥会丢弃该配置BPDU。

12. 故障

12.1 根桥故障
在稳定的STP拓扑里，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报文，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定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

12.2 直连链路故障
SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。
SWB新的根端口会在30 秒后恢复到转发状态。

12.3 非直连链路故障