STP技术详解

STP 技术

 

当前在Catalyst交换机上广泛应用的STP技术是RPVST+，RPVST是为每一个Vlan生成一棵RSTP实例，+是指cisco为STP增加的安全特性。可以看出，STP是基础，所以我们单独拿出来研究。

 

而一些新型交换机还支持MST，即基于实例（instance）的生成树，不再为每个vlan维护一棵RSTP，因为考虑到很多vlan形成的RSTP是一样的，所以只是以最终形成的逻辑拓扑，建立一些生成树实例并加以维护，这个技术很节省资源，但是复杂度高，仅有部分较新的设备支持。

 

STP是针对多台交换机互联产生的广播风暴，多重帧和Mac地址不稳定这一系列问题的二层破环技术，后来出现的RSTP技术是它的一个升级版，我们就二者进行以下分析。

 

802.1D STP有Disabled , Blocking , Listening , Learning , Forwarding五种状态，其中Disabled是管理性质的禁用，在Blocking状态时只侦听BPDU，到了Listening状态开始转发BPDU，在Learning状态形成CAM表，最终到达Forwarding状态，开始真正转发数据。

 

在STP中，如果一个端口down掉，到重新转发需要50s时间，即20s的BPDU最大生存时间加上15s的listening状态以及15s的learning状态。

 

802.1W RSTP只有Discarding，learning，Forwarding三种状态，其中discarding对应了STP的前三项，这样提高了收敛速度，也从另一个侧面显示出STP的Blocking和Listening状态其实区分度并不大。

 

STP中定义了根端口（Root Port）和指定端口（Desinated Port），在此基础上RSTP 新定义了备份端口（Backup Port），备选端口（Alternative Port）和边界端口（Edge Port）这三种端口概念。

 

在RSTP中，只有非边缘端口进入转发状态才会引起拓扑变化。不过在这之前我们先来看看STP的三种补丁技术BackboneFast ，UplinkFast 和 Port Fast 。

 

Uplink Fast 是为本SW提供一个备份的RP端口（Root Port），一旦原RP down掉，备份RP马上进入Forwarding状态。备份RP口在RSTP中就是Alternative Port。

 

Backbone Fast 是别的SW的RP口坏了，而恰好他要开启的新RP口与我直连的口是Block的，我就开启这个接口（显然的，这个口会成为指定端口），让他能和根桥通信，开启条件：收到他的BPDU，显示BID=RID，且至少见过一次。

 

事实上RSTP中Backbone技术也是独立出来的，并没有通过Backup Port实现，Backup Port是指定端口的备份，而Alternative Port是根端口的备份，仅此而已。

 

Port Fast 是用来接终端设备，这样的接口不参与STP破环，所以可以回避Listening和Learning状态，直接进行转发。

 

 

 

PS： STP中的BPDU有两种，Configuration BPDU 和 TCN （Topology Change Notification）BPDU，其中配置BPDU由根桥始发，直到STP收敛。TCN BPDU是第一时间发现网络拓扑有变的SW始发，先通过单播到达根桥（途中收到该TCN BPDU的SW会回传一个Hello并在其中的TCA位（Topology Change Ack）中做标记），再通过组播由根桥通告所有SW，后来RSTP对此做了改进，在RSTP中，TCN BPDU是以始发SW作为根，即时通告，离得越近的就越早知道，从而提高了收敛速度。

 

 

STP破环要点

 

 

1.STP破环流程：    1）选举根桥

 

                             2）在非根桥上选举根端口

 

                             3）在每个网段上选举指定端口

 

 

2.STP破环价值观（均为比小，依次比较）：

 

                             1）根桥ID（BID优先级+Mac） 

 

                             2）Cost（以BW为参考）  

    

                             3）发送者BID（BID优先级+Mac）

 

                             4）发送者端口ID（优先级+端口号）

 

 

PS：BID（Bridge ID）优先级范围为0～65535，默认为32768；Port ID优先级范围0～255，默认为128。当用命令指定根桥的时候，效果是让该SW的BID优先级降到8192。

 

3.根端口针对SW本身，是SW以非根桥的身份通过根端口和根桥通信。

 

4.指定端口针对一个网段（segment），到达该网段任意接口即为进入该网段。

                        |---------------------------SW1 -------------------------|

                      Fa1/0                                                                Fa1/0

                        |                                                                         |

                       SW2 -Fa2/0------------------------------------Fa3/0-SW3

 

以上图为例，SW1为根桥，现在要在SW2和SW3之间的网段选举出一个指定端口，SW2的BID为2，SW3的BID为3，链路带宽均为100M，过程如下：

 

1）SW2和SW3的根桥相同，均为SW1，进入一个流程。

 

2）比较Cost，根桥发出BPDU，SW2从自己的Fa1/0接收到，加上该端口的Cost 19，改写发送者BID为自己（还有发送端口字段，在此不做讨论），然后从自己的Fa2/0端口发出， 注意，从Fa2/0发出来的那一刻，即进入该网段。

 

SW3的过程也是如此，BPDU改写后从自己的Fa3/0发出，即进入该网段。因为Cost在发送端并不加，所以进入该网段的两个BPDU在进行比较的时候，Cost相同，均为19，进入下一流程。

 

3）依然是比较进入该网段的这两个BPDU，SW2的Fa2/0收到的BPDU所写的发送者BID为2，而SW3的Fa3/0收到的BPDU的发送者BID为3，所以Fa2/0端口胜出，成为该网段的指定端口

 

最后再强调一下，选指定端口是站在网段的高度上宏观考虑，BPDU无论通过该网段的哪个接口进入，一旦进入，就卡在那里，作为该端口的评判，不要想象BPDU穿过网段中链路再比较，那样会造成字段改动，引起判断失误。

 

PS：所谓网段，就是用网络设备分隔开来形成的网络分段。

 

5.STP的Cost是和端口本身相关的，而不是网段，接受时加上该接收端口的Cost，发送时并不加。PS：在STP中修订后的Cost与BW的对应为：10Mbps～100 100Mbps～19 1Gbps～4 10Gbps～2。

 

6.在选举根桥时，每个SW都宣称（declare）自己是根桥，发送的Hello中RID字段为自己的BID（每2s发一次），知道收到一个有更低BID的Hello，就开始转发这个Hello，最终，所有的SW都在期待那台有最佳BID的SW不断的产生hello，那么这台SW就成为根桥。

 

7.在选举出根桥后，配置BPDU都是由根桥始发，非根桥根据接收情况加以判决选举出根端口和指定端口，这里要明确为什么要根据根桥发的BPDU判决，因为选举的目的就是让每个SW和每个网段以最佳的方式和根桥通信，所以要重视根桥的信息。

 

8.发送者ID含义：这个BPDU是哪个SW发过来的，他的BID是多少？

 

9.发送者端口ID含义：这个BPDU是从哪一个端口发过来的，ID是多少？

 

10.没有一个BPDU能原封不动的穿越SW，SW会在接收BPDU后改写四处字段然后发送：Cost（加上接收端口的开销），发送者的BID（改为自己的BID），端口优先级（改为自己发送端口的优先级），端口号（改为自己发送端口的端口号）。

 

11.根桥的所有端口均为指定端口，根据Cost出口加，入口不加的原则，根桥的所有端口的根路径开销均为0。

 

12.BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）是SW的Hello，包含四个字段：根BID、根路径开销、发送者BID，发送者端口ID。

 

13.BID在STP中用来标识一台SW，可以填充在BPDU的“根BID”和“发送者BID”两个字段中，原始的BID包括2 Bytes的优先级和6 Bytes的System ID（即Mac地址）。

 

后来为了支持MST和PVST+进行了扩展，将原先2 Bytes的Priority字段分为了4 bit的 “Priority Multiple of 4096 ”字段，依然代表优先级，12 bit的“System ID Extension”字段，填充的内容是VLAN ID，作为System ID（Mac地址）的扩展，使得SW在每个Vlan中都有唯一的BID。