STP基础（各种交换网络生成树协议）

STP基础（各种交换网络生成树协议）

冗余

设备冗余
线路冗余
网关冗余
电源冗余（USP）

线路冗余的问题

路由器线路冗余通过各种协议可以避免出环（由算法计算所得的路由表可避免出环），交换机间线路冗余易出环（MAC地址表由记录产生易出环）。
由于二层交换机天生缺乏的防环机制，在交换机线路冗余时，会产生很多问题。
①易产生广播风暴，广播包在线路中转发出环，且越来越多不会消失。
②易产生MAC地址表翻滚，在一个交换机上同一个MAC地址表只能映射唯一的接口，但同一个接口可映射多个MAC地址。且当接口所映射的MAC地址改变时，会更新成新的记录，因此出环可能导致MAC地址表不停的更新。
③同一数据帧反复拷贝，占用缓存。
以上问题都可能导致设备过载，重启保护甚至损坏设备。

STP

Spanning Tree Protocol，生成树协议，在一个二层交换网络内，生成一棵树形结构（树一定无环），逻辑地阻塞部分接口，实现从根到所有的节点仅存在唯一的路径，当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞接口，来实现线路备份的作用。通俗易懂的解释原理就是，先逻辑上阻塞某些接口，需要时再打开。

STP七个标准

802.1D（最原始，已被淘汰，后续协议在它的基础上作改进）

BPDU——所有的交换机间使用BPDU（网桥协议数据单元，属于跨层封装到二层的数据帧）进行沟通。

（1）配置BPDU：仅根网桥才能发送， 在网桥网络初始状态时，所有网桥都把自己作为根网桥，都发BPDU，使得网络中的所有网桥都会收到其他设备的BPDU，然后基于数据中的参数比对来选出真正的根网桥，最后，只由根网桥来发送BPDU，其它非根网桥不再发送BPDU，只接收和转发根发送的BPDU。保活周期为2s，Dead time为20s。

（2）TCN：拓扑变更信息，本质也是BPDU，当本地网桥链路故障后，STP重新收敛，为了快速刷新全网所有网桥的MAC地址表，将向本地所有的STP接口发送TCN（八位的标记位中TCN位由0置1），在邻居网桥收到TCN后，邻居回复TCA（标记位中ACK位由0置1），再继续转发收到的TCN，之后TCN将逐级转发直至根网桥处，最后由根回复TC消息（标记位中TC位置1）到所有非根网桥，使得所有网桥临时将MAC地址表的老化时间由5min修改为15s。

选举过程

设备的两个角色和接口的三个角色
①根网桥（ROOT）：在一棵生成树的所有交换机中被选举为根网桥的网桥，一棵生成树有且仅有一个。
②非根网桥：未被选举为根的网桥。
③根接口（Root Port）：在每台非根网桥有且仅有一个，离根网桥最近的接口，会接收来自根网桥的BPDU。
④指定接口（Designated Port）：在每条存在STP的物理链路上有且仅有一个，会转发BPDU。
⑤非指定接口：被逻辑上阻塞的接口。
注： 根网桥上的接口全为指定接口，每条STP链路上都存在一个指定端口，指定接口的对端为根接口或非指定端口。

选举顺序
先选出根网桥，再在每个网桥上选出根接口，根接口的对端是指定接口，再在没有根接口的链路上找出指定接口，其对应的就是非指定接口。

选举规则
①根网桥选举：
比较所有网桥设备所发BPDU中的BID（网桥ID=网桥优先级+MAC地址）。
网桥优先级范围为0-65535，默认32768，越小越好。
透明交换机（不能进行配置的交换机）无MAC，二层交换机有一个MAC，三层及以上交换机有多个MAC。
先比较网桥优先级，数值越小越好，若网桥优先级相同，则表较MAC地址，数值越小越好。

②根接口选取：
比较从根网桥发出BPDU后，通过该接口进入时的最小cost值，不同带宽，cost值不同。
若入向cost值相同，比较两网桥对端两网桥的BID（根据根网桥选举规则），以此规则选出本端网桥的根接口，即使当前根网桥出故障，根网桥变更后，根接口也不需要换。
若对端BID相同（两接口对端为同一设备），则比较两接口对端两接口的PID（端口ID=接口优先级+接口编号）。接口优先级范围为0-255，默认为128。均为越小越优。
若对端PID相同（两接口对端为同一接口，利用集线器或透明交换机过渡），则比较两本端接口PID，同样越小越优。至此一定比较出了结果。

③指定接口选取：
首先所有根接口的对端为指定接口，剩下的链路中比较两端接口的从根网桥转出BPDU时cost值。
若出向cost值相同，则比较两网桥的BID，小优。
若BID相同（同一网桥的两个接口互接），比较本地两接口PID，小优。
若PID相同（某网桥的某一个接口通过集线器或透明交换机自连），直接阻塞该端口，即作为非指定端口。

接口cost值参考标准

（1）802.1D标准cost值：

10M	100
100M	19
1000M	4
10000M	2
>100000M	1

（2）802.1T标准cost值：
100M 200000
1000M 20000
千兆两万，以此类推。

华为设备默认使用802.1T标准，可以修改，命令stp pathcost-standard ?

选举举例

注： 在配置STP时，至少应该将根网桥干涉到汇聚层处，不能使根网桥在接入层。

STP接口的状态

①Down状态：正常通电，通讯后切换到下一状态；
②Listening状态：15s，所有交换机收发BPDU，选举所有角色，非指定端口进入阻塞状态，根端口与指定端口进入下一个状态；
③Learning状态：15s，所有交换机接收记录经过的数据帧源MAC地址，生成MAC表。
④Forwarding状态：根端口和指定端口最终进入转发状态，正常收发BPDU。

802.1D算法的收敛时间

①初次收敛：30s
②结构变化后收敛的两种情况
（1）存在直连检测：30s，某一台交换机在结构突变后，仅存在一个阻塞接口可以接收来自邻居网桥的BPDU，那么该接口将进入正常的30s收敛阶段。
（2）非直连检测：20（Hold time）+30（收敛时间）= 50s。某一台交换机在结构突变后，与交换网络脱离，仅存在对端堵塞端口能够接收自己发出的次优BPDU，此时只能等待邻居20s的保护时间，和再次30s重新收敛。

802.1D的缺点

①收敛速度较慢；
②链路利用率低（Cisco提出，后来出现Cisco私有的PVST协议）。

PVST

基于VLAN的生成树协议，一个VLAN一棵树，将不同树的根网桥定义到汇聚层的不同设备后，可以实现多个VLAN的阻塞链路不是同一链路，从而实现了所有接口均工作，只是为不同VLAN进行服务，提高了链路的利用率。

实例（Cisco设备）：

【SW0】

【SW1】

【SW2】

如下图，降低SW2在VLAN 2生成树中的网桥优先级数值（即作为VLAN 2的根网桥）。

在该拓扑中，三条链路为添加了vlan 2的switchport mode trunk链路。SW0在VLAN 1中作根，SW1在减小了网桥优先级（Cisco设备中网桥优先级为4096（VLAN ID个数）的倍数+VLAN ID的）后，SW1在VLAN 2中作根，由此所有的接口全部变绿，SW2的两接口在两棵生成树中扮演不同角色，达到每条链路都平均利用。

PVST的缺点

①收敛较慢，因为单棵树内依然使用802.1D算法；
②不支持公有802.1D的Trunk干道，仅支持Cisco私有的Trunk干道（ISL）；
③生成树较多，计算等消耗资源（Cisco设备存在独立芯片来处理多生成树）。

PVST+

PVST的升级版，兼容了802.1Q的Trunk链路封装，初次收敛时间仍然为30s，但设计了部分加速方法（端口加速，上行链路加速以及骨干加速），一般为Cisco交换机默认的STP。
①端口加速（Portfast）

用于连接PC的端口可不进行收敛，直接进入转发状态。
②上行链路加速（Uplinkfast）
针对存在直连检测条件的环境，开启上行链路加速度的设备，在遇到直连检测情况时，阻塞端口将直接成为根端口，无需进行30s收敛。需要注意，该命令只能在接入层设备上配置，因此在一台交换机上开启上行链路加速后，该设备的网桥优先级和接口优先级均变大，让此设备不能成为根网桥，接口也大概率成为阻塞端口。
③骨干加速
用于在收到次优BPDU时，省去20s的hold time等待，直接进入30s收敛。

快速生成树（RSTP与802.1W）

RSTP	802.1W
Cisco私有	公有
PVST+升级版	802.1D升级版
一个VLAN一棵生成树	一个交换网络一棵生成树

快速的原理：

①取消了计时器，在每个接口状态工作完成后立即进入下一一个接口状态（主要原因）。
②分段式同步，无需再等根交换机下发TC，直接设备之间逐级收敛（依赖标记位请求和同意标记位，第1位和第6位）。
③BPDU的Hello time为2s，Dead time由20s变为6s。
④将端口加速（边缘接口，华为设备配置命令：stp edged-port enable）、上行链路加速以及骨干加速集成。

实例（华为设备）：

可以手动配置SW1为主根，该命令会使网桥优先级自动降低两个4096。

手动配置SW2为次根（主根设备故障后，率先充当主根），该命令会使网桥优先级自动降低一个4096。

在SW3连接主机的接口上配置边缘接口加速。

MSTP(802.1S)

多生成树协议，在快速生成树上再升级，基于分组的STP，将多个VLAN放在同一个组内，一个组一棵生成树，每个组之间依然基于优先级+组号的逻辑来区分BPDU。

实例：

【SW1】【SW2】【SW3】相同配置部分：

port-group group-member e0/0/1 to e0/0/2
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan all //设置Trunk接口且允许所有vlan
q
vlan batch 2 to 10 //创建VLAN2到10
stp mode mstp //设置STP模式为MSTP
stp region-configuration //进入MSTP组的配置
region-name a //设置MSTP组名为a
instance 1 vlan 1 to 5 //将vlan 1到5放进小组1
instance 2 vlan 6 to 10 //将valn 6到10放进小组2
active region-configuration //启动当前组配置

【SW1】
stp instance 1 root primary //SW1在小组1作主根
stp instance 2 root secondary //SW1在小组2作备份根（次根）

【SW2】
stp instance 2 root primary //SW2在小组2作主根
stp instance 1 root secondary //SW2在小组1作次根

【SW3】

至此，实现MSTP分组生成树，相互备份，且链路利用率足，收敛速度快。