STP(Spanning Tree Protocol) (IEEE 802.1D) 生成树协议

 
·回顾SW的工作原理：
　1.不能修改它所转发的帧
　2.基于源MAC的学习，建立MAC-PORT的映射表，基于目的MAC转发
　3.对有目标MAC映射表的帧，直接从对应端口转发
　4.对没有目标MAC映射/目标广(组）播的帧，SW会从所有端口转发（除源端口）
交换机从不同的接口学到不同的命令，它会选择最新学到的命令。
 
·当2个Segment之间，只有一个物理设备连接时，就有可能“单点失效”。
　Segment:
　　1.STP：一段网络介质(网线/光纤)。
　　2.数据封装：携带4层报头的用户数据。
　　3.路由：一个逻辑子网。
 
·避免单点失效的方法就是构造冗余网络。
 
·冗余网络导致的问题：
　1.多帧复制(浪费带宽)  在组播中是个大问题
　2.MAC地址表的翻动
　3.广播风暴
阻止冗余网络就是建立block
 
·STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
　STP通过判断网络中存在环路的地方，并阻断冗余链路来实现无环网络。
 
·STP采用STA（Spanning Tree Arithmetic）算法。
　STA会在冗余链路中选择一个参考点（生成树的根），将选择到达要的单条路径，同时阻断其他冗余路径。一旦已选路径失效，将启用其他路径。
 
 
＜STP的4大结论＞（STP里选举参数都是越小越优）
STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的，BPDU是直接封装在以太网帧中的。
 
One root bridge per network（每个网络只有一个根桥）
 
·根桥的选举：Lowest BID （最小的BID）
 
·STP为每台SW分配唯一的一个标识符，称为BID（Bridge ID）。
　BID的组成：2（Bridge Priority优先级）＋6（MAC）＝8 Bytes
　默认Priority：32768（0x8000） 2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号
  每个交换机都有一个基准的MAC地址，用下面的命令可以看到
  Sw2#show version 
　Base ethernet MAC Address: 00:0D:28:61:35:00
  交换机的每一个端口都有一个MAC地址，就是以Base（基准） MAC地址加上端口号得到的。
  Show interface f0/1   这一命令可以看到交换机端口的MAC地址
 
查看STP信息--
Sw2#show spanning-tree 
Sw3# show spanning-tree brief(低版本用)2900以下的交换机用这一命令
 
·PVST(Per Vlan Stp)
　Cisco SW 默认为每个VLAN，一个STP，互不影响。
 
·一些低端交换机(2900)的Priority是不加上vlan号的。
 
·将性能最好的SW设成根桥
b
Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 root primary （24576=0x6000) (建立优先级，成为根桥)
Sw2(config)#spanning-tree vlan 1-10 root secondary (28672=0x7000) (备份根桥，防止优先级根桥showdown了)
Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 priority 4096　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（设置必须是4096的倍数）
 
One root port per nonroot bridge（每个非根桥都有一个根端口）
 
·根端口（RP）：Lowest path cost to root bridge 每个非根桥有且只有一个根端口
　　　　　　　非根桥到达根桥所需开销最小的那个端口。（可转发流量）
 
选举RP/DP的方法：
1.Lowest RID(最小的RID)  是SW1（根桥）的BID
2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
3.lowest sender BID (最小的发送BID)
4.Lowest sender port ID  当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选
BPDU（Bridge Protocol Data Unit）：由根桥每二秒发一次。
BPDU是直接封装在二层的协议，其MAC地址最后封装数为：00。（01:80:c2:00:00:00）
·Path Cost:根桥发出的COST值是0，在下一交换机的入口处才加上COST值，出口处COST值不变。
　10Mbps：100/　100Mbps：19/　1Gbps：4/　10Gbps：2
 
Sw1#show interfaces status 
Sw1#show spanning-tree 
 
duplex full -> P2p
duplex half -> Share
 
Sw1(config-if)#spanning-tree (vlan 1) cost 22 每个VLAN都能生成一个自已的生成树，通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根桥，产生不同的生成树，充分利用了链路
Sw1(config-if)#spanning-tree cost 22   修改所有Vlan的Cost值
 
Port ID是由优先级+端口号组成
修改端口优先级：默认情况下是128
Sw1(config-if)#spanning-tree port-priority 16
 
One designated port per segment（每个Segment只有一个指定端口）
           TCP/UDP 封装
Segment    路由中的网段
            介质
 
选举RP/DP的方法：
1.Lowest RID(最小的RID)  是SW1（根桥）的BID
2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
3.lowest sender BID (最小的发送BID)
4.Lowest sender port ID
 
·根桥的所有端口都是指定端口（DP）。
 
·指定端口（DP）：Lowest path cost to root bridge（＝）
　　　　　　　   Lowest sender BID
                              发送方BID小的那个端口（转发流量）
 
Nondesignated ports are blocked（非指定端口将被堵塞）
 
 
BPDU（Bridge Protocol Data Unit)
 
·对于参与STP的所有SW，它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息，这种消息就被称为BPDU。
 
·BPDU的功能：
　1.选举根桥
　2.确定冗余路径的位置
　3.通过阻塞特定端口来避免环路
　4.通告网络的拓扑变更
　5.监控生成树的状态
 
·BPDU每2S由根桥发送一次。
　最初的网络，每个SW都认为自己是根桥，都会发送BPDU，比较Lowest BID，选举出一个根桥，此时就只有根桥发送BPDU。非根桥只进行转发。
 
·TCN（Topology Change Notification) BPDU
　这种BPDU是SW检测到拓扑变更时产生的。
 
·Protocol ID : 0
　Version : 802.1D (0)
  Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
 
 
＜非根桥有多条冗余链路连接到根桥＞
 
·根端口（RP）：Lowest path cost to root bridge　（＝）
　　　　　　　　Lowest sender BID　（＝）
　　　　　　　　Lowest sender port ID
入口+cost值=发出数值（如19口+8口=27口指交换机）
·端口ID（PID）：
　1（Pri）+ 1（Port Num） =　2 Bytes
　128.24（默认priority=128）
 
Sw1(config-if)#spanning-tree (vlan 1) port-priority 16  修改端口优先级
                                 （必须是16的倍数）
　要在发送方改。
 
＜STP端口选择依据，依次比较＞
    Lowest RID
Lowest path cost to root bridge
Lowest sender BID
Lowest sender port ID
 
＜BPDU　Timer＞
BPDU多播地址：01：80：c2:00:00:00
·Message Age：最大存活时间（20S）
　Hello Time:根桥连续发送BPDU的间隔（2S）
　Forward Time:SW在监听和学习状态所停留的时间（15S）
 
spanning-tree vlan 1-10 hello-time 3   改发送BPDU的时间间隔
spanning-tree vlan 1-10 forward-time 13   修改forward时间
spanning-tree vlan 1-10 max-age 33    修改最大存活时间
 
1．老化时间（blocking）（loss of BPDU detected）max age=20s
2.监听时间（listening）forward delay=15s
3．学习时间（learning）forward delay=15s
 
　　　　　　监听BPDU　学习MAC　帧转发
Blocking　　　√　　　　×　　　×
Listening　　 √　　　　×　　　×（选举Root/RP/DP）
Learning　　　√　　　　√　　　×
Forwarding　　√　　　　√　　　√
 
＜STP Topology Change＞
 
·当发生如下事件时，SW会发送TCN：
　1.链路故障（FWD -> BLK）
　2.端口进入转发状态，并且SW已经拥有DP
　3.非根桥从它的DP接收到TCN，并将其转发
 
TCN BPDU只包含三个字段：pro id,version,message,也就是BPDU的前三个字段
 
　Flags:
 　TC（Topology Change) TC置位的BPDU只会由Root产生
　 TCA (Topology Change Acknowledge)
 
根桥所做的工作：
1.收敛现在的网络；
2．Aging-time:将MAC地址表的老化时间直接变成Forward time
 
＜STP和802.1Q＞
 
·在采用802.1Q的Trunk中，SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
　（PVST）
　
·对于不支持802.1Q的SW，所有VLAN维护一个STP。(SSTP)
 
·在交换网络中，STP是始终运行的，如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。
 
Per VLAN Spanning Tree
优点：1.基于Vlan的负载根端；
缺点：1.BPDU是基于Vlan 的基础上运行的；