交换基础之生成树协议

STP介绍

STP(Spanning Tree Protocol，生成树协议)是用于消除环形网络的广播风暴(数据包在网络中不断循环转圈)和MAC地址表不稳定(MAC地址表不断更改学习到的MAC地址条目)问题，从而实现既能解决环路问题，也能形成备份；STP是IEEE 802.1D标准；

STP相关术语

STP协议中涉及了很多术语，例如：根桥、根桥ID、桥ID、路径开销、端口ID、根端口、指定端口、阻塞端口等；

• 根桥：整个生成树的根，全网只有一个根桥(根交换机)，便于后续相关角色的选举；
• 根桥ID/桥ID(RID/BID)：由优先级与MAC地址两部分组成，优先级范围为0-61440，优先级默认为32768，MAC地址为交换机面板的MAC地址，而非端口上的MAC地址；
• 端口ID(PID)：由端口优先级与端口编号两部分组成，优先级范围为0-255，默认为100；
• 路径开销：端口参数，端口到达根桥的开销，根桥的端口开销为0；
• 根端口：负责向根桥发送报文或接受根桥发送的报文，每个交换机只有一个根端口；
• 指定端口：负责发送根桥报文，每一个端口到端口的链路都会选出一个指定端口；
• 阻塞端口：除根端口和指定端口以外的所有端口；

STP端口状态：

端口状态	说明
Disabled	不接收不转发BPDU报文，不进行MAC地址学习，不转发用户流量
Blacking	只接收BPDU报文，不进行MAC地址学习，不转发用户流量
Listening	接收并转发BPDU报文，不进行MAC地址学习，不转发用户流量
Learning	接收并转发BPDU报文，进行MAC地址学习，不转发用户流量
Forwarding	接收并转发BPDU报文，进行MAC地址学习，转发用户流量

注:指定端口和根端口选举后，需要两倍转发延迟后才能到转发状态;

注：Hello Time(Hello定时器)：STP设备发送配置BPDU报文的时间间隔，缺省为2s，TCN BPDU不受该定时器控制；
Forwarding Delay(转发延迟)：STP设备在listening和Learning端口状态各自停留的时间，缺省为15s，用于防止交换网络在不同状态间频繁切换(例如：在一个时间间隔内频繁的增减设备，使得端口角色不断发生变化，端口状态也不断发生变化；存在转发延迟后，就不会频繁的从Forwarding状态到Blocking，再到Forwarding状态)；
Max Age(最大生存时间)：端口的BPDU的老化时间，缺省为20s，收到BPDU报文后，会比较**Message Age(消息生存时间)**和Max Age，如果Message Age小于或等于 Max Age，就非根桥设备继续转发，如果Message Age大于 Max Age，就丢弃该报文；
配置BPDU每经过一个桥设备，Message Age数值就会增加1；

STP比较原则

根桥选举是比较桥ID，根端口和指定端口是按照下述的比较方式比较的；

• 比较根桥ID(RBID)，数值越小越优；
• 如果RBID相同，就比较到达根桥的路径开销(Cost)，数值越小越优；
• 如果路径开销相同，就比较发送方的桥ID(中继BID)，数值越小越优；
• 如果发送方BID相同，就比较发送方的端口ID(PID)，数值越小越优；
• 如果发送方的PID相同，就比较接收方的PID，数值越小越优；(适用于RSTP和MSTP)

STP BPDU报文格式

BPDU报文分为配置BPDU和TCN BPDU；

配置BPDU是用于计算和维护生成树的报文，是初始阶段中各交换机发送的BPDU；

TCN BPDU是用于生成树拓扑发生变化的报文，下游设备通过该报文通知上游设备拓扑结构发生了变化；

配置BPDU报文格式：

报文字段	说明
Protocol ID	协议ID字段，数值为0；
Protocol Version	协议版本字段，数值“0”表示STP，数值“2”表示RSTP，数值为“3”表示MSTP；
Message Type	消息类型字段，标识BPDU报文类型，“0x00”表示配置BPDU，“0x02”表示RST BPDU或MST BPDU，“0x08”表示TCN BPDU；
Flags	标识字段，用于表示字段发生了变化，TC为置1表示通知下游设备删除发生变化的MAC地址，TCA位置1表示已确认拓扑发生了变化；
Root ID	根桥ID字段，标识当前根桥设备的RID；
Root Path COST	根路径开销字段，标识发送给BPDU报文的端口累计到跟根桥的开销；
Bridge ID	桥ID字段，标识发送BPDU报文的BID；
Port ID	端口ID字段，标识发送该报文端口的PID，即“发送者端口ID”
Message Age	消息生存时间字段，标识该BPDU已存在的时间，从根桥接收报文，数值为“0”；实际实现时，配置BPDU每经过一个桥设备，Message Age就会增加1；
Max Age	最大生存时间字段，标识报文的最大生存时间，缺省为20s，即老化时间；*
Hello Time	发送时间间隔字段，标识配置BPDU发送的时间间隔，缺省为2s；
Forwarding Delay	转发延迟字段，控制listening和learning的持续状态，缺省为15s;

TCN BPDU报文格式：

TCN BPDU报文格式很简单只有上述报文的前三段：协议ID、协议版本和信息类型；

STP工作原理

STP的角色选举都遵循STP比较原则。整个STP可以分为初始阶段角色选举和拓扑变化后角色选举。

STP初始化角色选举过程

• 初始状态(未标记为默认值)，网络没有根桥；
• 网络中的所有交换机都认为自己是根桥，开始发送配置BPDU报文，Switch1与Switch2会收到交互BPDU报文，发现Switch1的BID数值更小，优先级更大，认为Switch1为根桥，Switch1与Switch3比较的时候，Switch1的BID优先级更大，Switch1为根桥；
  注：STP中只有根桥设备才会发送配置BPDU，RSTP和MSTP的所有STP设备都会发送配置BPDU报文；
• 根桥设备选举出来之后，每个非根桥设备要选举出一个根端口；Switch2有两个端口，比较两个端口收到的配置BPDU报文(RID相同，G0/0/1的Cost路径开销小于G0/0/2[角色选举的比较原则])，发现Switch2的G0/0/1为根端口，同理Switch3的G0/0/2为根端口；

• STP设备选举出根端口后，开始为每条端到端链路选举一个指定端口；Switch1与Switch2链路两端端口通过角色选举的比较原则(RID相同，Switch1的COST更小)，发现Switch1的G0/0/1为指定端口，同理Switch1与Switch2之间Switch1的G0/0/2为指定端口；

• Switch2与Switch3两路两端通过角色选举比较原则(RID相同，COST开销相同，Switch2的中继BID更小)，发现Switch2的G0/0/2为指定端口，其他非根端口和非指定端口的为阻塞端口(Switch3的g0/0/1为阻塞端口)；
  注：生成树拓扑结构稳定后，根桥设备会按照Hello Time周期性发送配置BPDU报文；

STP拓扑变化角色选举过程

生成树拓扑结构发生变化后，下游设备就会向上游设备发送TCN BPDU报文，告知上游设备拓扑发送了变化。下游设备会不断发送TCN BPDU报文，只有指定端口接收到该报文才会处理；

拓扑变化后角色选举过程(MAC地址表项重新学习)：

• 当下游设备发生拓扑变化时，下游设备会不断向上游设备发送TCN BPDU报文，上游设备的指定端口收到TCN BPDU报文后，会向下游设备回复配置BPDU报文(Flags字段TCA置为1)，告知下游设备已知道拓扑发生变化，并且设备会复制TCN BPDU报文，然后发送给上游设备，如此往复，直至发送将TCN BPDU报文发送给根桥设备；
• 根桥设备收到TCN BPDU报文，根桥设备会向下游设备回复配置BPDU报文(flags字段TC置为1)，要求下游设备直接删除发生故障端口或发生变化端口的MAC地址表项(删除接收到TCN BPDU报文的指定端口的MAC地址表项)，进而达到快速收敛的目的；

注：TCN BPDU报文是用于告知上游设备，生成树拓扑结构发生了变化；
Flags字段的TCA置为1的配置BPDU报文，是上游设备用来告知下游设备已经知道拓扑结构发生了变化；
Flags字段的TC置为1的配置BPDU报文，是根桥设备用来告知下游设备拓扑发生变化，要求下游设备删除发生故障端口或发生变化变化端口的MAC地址表项(删除接收到TCN BPDU报文的指定端口的MAC地址表项)；

RSTP介绍

RSTP(Rapid STP，快速生成树协议)是STP的升级版本，用于解决STP收敛速度慢(Listening和Learning有转发延迟、只有根桥才会发送配置BPDU报文)、端口状态和端口角色划分不合理(某些端口状态功能类似，端口角色与端口状态关联性不强)等问题；RSTP是IEEE 802.1w标准；

RSTP端口角色

RSTP将端口角色更加细化，将阻塞端口划分为Alternate(替代)端口和Backup(备份)端口，新加了Edge(边缘)端口；

端口角色	解释说明
根端口	每个非根桥设备都会有一个；用于接收配置BPDU报文；
指定端口	每条端到端链路都会有一个；用于发送配置BPDU报文；
替代端口	用于无延时进入转发状态代替根端口，是对根端口的备份，相当于多了一条接收配置BPDU报文的路径；
备份端口	用于无延时进入转发状态代替指定端口，是对指定端口的备份，相当于多了一条发送配置BPDU报文的路径；
边缘端口	用于主机与STP设备相连的端口；不参与RSTP计算，直接是转发状态；防止主机频繁切换(断开或连接)造成网络拓扑震荡；

RSTP端口状态

RSTP将STP中某些功能相似的状态合并，使其STP的五个状态合并为RSTP的三个状态，提高了RSTP的收敛速度(状态少了，切换时间也会相应变短)；

端口角色	角色说明
Discarding	不进行MAC地址学习，不转发数据流量
Learning	进行MAC地址学习，不转发数据流量
Forwarding	进行MAC地址学习，转发数据流量

RSTP BPDU报文变化

RSTP的RST BPDU报文基本与STP的配置BPDU报文相似，较为不同的是Flags字段。

RSTP将Flags字段中没有用上的位数统统利用了起来；

报文字段	解释说明
TCA	用于告知设备已知道拓扑结构发生了变化；
Agreement	P/A(提议/确认)机制中的确认快速收敛，Agreement报文；
Forwarding	发送报文的端口处于转发状态；
Learning	发送报文的端口处于学习状态；
Port Role	端口角色，“00”为端口角色未知；“01”为替代端口或备份端口；“10”为根端口；“11”为指定端口；
Proposal	P/A机制中发起快速收敛的提议报文，Proposal报文；
TC	根桥告知下游设备拓扑发生变化并要求删除相应的MAC地址表项；

常见的Flags数值(仅供了解)：

• 2c即0010 1100，表示发送BPDU报文的端口为转发状态，端口角色为指定端口；
• 0e即0000 1110，表示有指定端口发送的Proposal报文；
• 6c即0110 1100，表示发送Agreement报文的端口为转发状态,端口角色为指定端口；
• 2d即0010 1010，表示发送Proposal报文的端口为转发状态，端口角色为根端口；

RSTP拓扑变化角色选举过程

RSTP取消了TCN BPDU报文，采用更加快捷的方式到达拓扑变化后快速收敛的目的；

RSTP虽然没有TCN BPDU报文，在与STP兼容模式中仍然能够发送和接收TCN BPDU报文(此时RSTP和STP的工作原理为STP)，当STP设备完全脱离后，RSTP设备会自动切换为RSTP工作原理，开始快速收敛；

拓扑变化后角色选举的工作过程(MAC地址表项重新学习)：

• 当RSTP检测到拓扑结构发生变化(非边缘端口切换到转发状态)，本设备就会启动TC While定时器(数值为Hello Time定时器的两倍)，在该定时器内，清空发生变化的端口上学习到的MAC地址表项，并由这些发生变化的端口发送**RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)**给其他RSTP设备，TC while超时就停止发送；
• 其他RSTP设备的指定端口收到RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)后，清空所有端口学习到的MAC地址表项，除了接收RST BPDU报文的端口，并为所有非边缘端口启动TC While定时器，重复上述过程直至所有RSTP设备都进行MAC地址表重新学习，提高了收敛速度；

注：接收到RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)的端口，不会再从该端口发送RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)；

处理BPDU报文的变化(相较于STP)

• 每台RSTP的设备指定端口都可以发送配置BPDU报文；
• 如果一个端口连续3倍hello定时器内没有收到上游发送的RST BPDU报文，就认为邻居之间协商失败；

P/A快速收敛机制

Proposal/Agreement机制是为了实现快速收敛，减少端口状态切换的时间；P/A是在点到点链路里；

P/A的端口变量协商过程：

• Proposing(请求提议)：当一个设备的指定端口处于discarding或learning状态时，端口的proposal变量置位，并向下游设备发送RST BPDU报文(Flags字段的Proposal置为1)，用于请求快速切换到转发状态；
• Proposed(请求采纳)：当下游设备的根端口收到上述RST BPDU报文(Flags字段的Proposal置为1)，接收报文的端口proposed变量置位，表示本链路的指定端口希望尽快进入转发状态；
• Sync(同步请求)：当根端口proposed变量置位，本设备的其他端口都要将sync变量置位，使得非边缘端口都进入discarding状态(阻塞其他非边缘端口)，准备重新同步；
• Synced(同步完成)：当非边缘端口处于discarding状态，其他端口都将synced变量置位，根端口监测到所有非边缘端口都将synced置位后，也会将自己的synced变量置位，然后向上根端口所连接的链路发送RST BPDU(flags字段的Agreement置为1)；
• Agreed(提议确认)：上游设备收到RST BPDU(flags字段的Agreement置为1)后，会将接收到该报文的端口agreed变量置位，并立即进入Forwarding转发状态；

按照上述步骤，依次将非边缘端口(处于discarding状态)快速切换到Forwarding状态，直至整个RSTP网络都调整完毕；

MSTP介绍

MSTP(Multiple STP，多生成树协议)是可以实现快速收敛，又能使不同VLAN的流量按照不同的路径转发，从而为冗余链路提供更好的负载分担机制；每一个区域叫做MST域(多生成树域)，每个域中包含的多颗生成树叫MSTI(多生成树实例)，每一颗生成树采用RSTP算法生成；

注：MSTP仅需了解基本概念，以及同一MST域下不同MSTI配置。BPDU报文也只需要了解即可

MSTP相关术语

• VLAN映射表(MSTP)：描述VLAN与MST域中对应的MSTI之间的映射关系；一个MSTI可以对应多个VLAN，一个VLAN只能对应一个MSTI；
• IST(Internal Spanning Tree，内部生成树)：每个MST区域只会生成一个IST生成树，MST区域内的所有设备都属于该IST；IST对应的实例号为0(MSTI ID为0)；
• CST(Common Spanning Tree，公共生成树)：是计算整个MSTP网络的生成树，但是将IST这个整体作为生成树的一个节点，即每个MSTP网络只有一个CST，每个MST域的IST是整个MSTP网络的CST生成树的节点；
• CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树)：是通过STP或RSTP协议计算生成的，连接整个MSTP网络的所有交换机生成的单生成树，是由IST和CST共同组成的，即CIST是计算MSTP网络的所有交换机组成的(CIST的生成树节点为单个交换机)，CST是计算MSTP网络所有IST组成的(CST的生成树节点为IST)；
• SST(Single Spanning Tree，单生成树)：运行STP或RSTP的生成树；MST域中只有一个交换机；
• 总根：CIST的根桥(一个MSTP网络只有一个根桥)；
• 域根：IST域根(IST的根桥，MST区域的根桥，一个MST域对应一个根桥)和MSTI域根(MST域中多生成树实例的根桥，一个实例对应一个MSTI域根)；

MSTP端口角色

MSTP协议相对于RSTP协议多了Master(主)端口和域边缘端口；

端口角色	解释说明
根端口	每个非根桥设备都会有一个；用于接收配置BPDU报文；
指定端口	每条端到端链路都会有一个；用于发送配置BPDU报文；
替代端口	用于无延时进入转发状态代替根端口，是对根端口的备份，相当于多了一条接收配置BPDU报文的路径；
备份端口	用于无延时进入转发状态代替指定端口，是对指定端口的备份，相当于多了一条发送配置BPDU报文的路径；
边缘端口	用于主机与STP设备相连的端口；不参与RSTP计算，直接是转发状态；防止主机频繁切换(断开或连接)造成网络拓扑震荡；
主端口	MST域和总根之间最短路径的端口，MST域内的报文去往总根都需要经过该端口；主端口是特殊的域边缘端口，也是CST/CIST的根端口；
域边缘端口	位于MST域边缘且与其他MST域或SST相连的端口；域边缘端口的角色在MSTI和CIST上保持一致，即该端口在CIST里是Master端口，则该端口在所有MSTI内都是Master端口；

CIST角色比较原则

• 比较总根桥ID，数值越小越优；
• 如果总根桥ID相同，就比较到达总根桥的外部路径开销(ERPC)，数值越小越优；
  注：外部开销是计算MST域外主端口到总根的开销(MST域内部设备到达域根桥的开销不计算)；内部路径开销是计算MST域内非域根桥到达域根桥的开销；
• 如果外部路径开销相同，就比较域根桥ID(RBID)，数值越小越优；
• 如果RBID相同，就比较到达根桥的内部路径开销(IRPC)，数值越小越优；
• 如果路径开销相同，就比较发送方的桥ID(中继BID)，数值越小越优；
• 如果发送方BID相同，就比较发送方的端口ID(PID)，数值越小越优；
• 如果发送方的PID相同，就比较接收方的PID，数值越小越优；(适用于RSTP和MSTP)

CIST计算原理

首先在经过配置BPDU报文比较后，在整个MSTP网络中选举出BID数值最小的交换机作为CIST的总根，然后在MST域内通过MSTP算法计算出IST的所有端口角色，同时MSTP网络将每个MST域作为单独的节点通过STP或RSTP算法计算出CST，最终CST和IST组合成整个MSPT网络的CIST；

MSTI计算原理

每个MSTI当做单独RST或STP计算出生成树；

MSTP BPDU报文结构

报文字段	字节/Bytes	解释说明
Version1 length=0	1	Version1的BPDU报文长度，固定为0；
Version3 length	1	Version3的BPDU报文长度；
MST configuration Identifier	51	MST域配置标识符字段，表示MST域的标签；只有配置相同的MST标识符才会处于同一个MST域；下列有该字段的详细内容；
CIST interval Root Path Cost	4	CIST内部路径开销字段，标识发送配置BPDU报文的端口到达根桥(Master端口)的累积路径开销；
CIST Bridge ID	8	CIST桥ID字段，标识CIST的指定桥ID，相当于BridgeID字段；
CIST Remaining Hops	1	CIST保持跳数字段，BPDU报文在CIST的剩余字段(每经过一个桥设备数值减一)；
MSTI Configuration Message	16	MSTI配置信息字段，每个MSTI的详细信息，用于告知总根该MST域中配置的所有MSTI详细信息；可以包含多个MSTI，下列有该字段的详细内容；

报文字段	解释说明
Configuration ID Format Selector	配置标识符格式选择器，固定为0；
Configuration Name	MST域名，每个MST域有唯一的域名；
Revision Level	MST配置修订级别；
Configuration Digest	配置摘要，利用HMAC-MD5算法将VLAN与实例的映射关系加密为16字节的摘要；

报文字段	解释说明
MSTI Flags	MSTI标识字段，与上面Flags字段一样；
MSTI Regional Root Identifier	MSTI域根桥ID字段，表示实例中根桥的ID；
MSTI Interval Root Path Cost	MSTI内部路径开销字段，表示发送BPDU报文的端口到实例根桥积累的路径开销；
MSTI Bridge Priority	MSTI桥优先级，表示本设备的桥优先级；
MSTI Port Priority	MSTI端口优先级，表示本设备的端口优先级；
MSTI Remaining Hops	BPDU在MSTI中的剩余跳数；