学习日记Day19:STP(生成树协议)

一、为什么要使用STP。

1、二层交换机网络的冗余性与环路。

                               
        随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如图，接入层交换机单链路上联，则存在单链路故障，也就是如果这根上联链路发生故障，交换机下联用户就断网了。另一个问题的单点故障，也就是交换机如果宕机，交换机下联用户也就断网了。
                       
        为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

2、人为导致的环路。

                       
       在现实中，一些二层环路可能是由于人为的疏忽导致的，例如错误地连接设备之间的互联线缆等。
                       
       另一些二层环路可能是由于人为的配置错误导致的，在本例中，网络管理员未将SW1与SW2之间的链路绑定到一个逻辑链路（聚合链路）上，从而引入了二层环路。

3、二层环路带来的问题。

3.1、广播风暴。

                       根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。
       本例中，SW3收到了一个广播帧将其进行泛洪，SW1和SW2也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SW3，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。下面是抓包图：

       可以看到大量的广播帧和未知单播帧在链路中泛洪，导致通信受阻。

3.2、MAC地址漂移。

               
        交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。本例中，SW3收到一个广播帧泛洪，SW1从GE0/0/3接口接收到广播帧后学习且泛洪，形成MAC地址5489-98EE-788A与GE0/0/3的映射；SW2收到广播帧后学习且泛洪，SW1再次从GE0/0/2收到源MAC地址为5489-98EE-788A的广播帧并进行学习，5489-98EE-788A会不断地在GE0/0/1与GE0/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。如下图：

4、初识生成树。

        在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路。

        STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。运行STP算法，判断网络中存在环路的地方并阻断冗余链路，将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免了数据帧在环路网络中的增生和无穷循环。
        生成树还能够动态响应网络拓扑变化调整阻塞接口，交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整。因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

        如上图，交换机上运行STP协议，会通过报文监控网络的拓扑结构，正常情况下是将SW3上的一个接口进行阻塞（Block），从而打破环路，当监控到SW1与SW3之间出现链路故障，则恢复阻塞端口进入转发状态。

二、STP的基本概念。

1、桥ID(BID)。

       在STP中，每一台交换机都有一个标示符，叫做BID或者桥ID，IEEE 802.1D标准中规定BID由桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成。每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。
              
       华为设备默认的桥优先级是32768，查看BID的方法如下图：

2、根桥。

       STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“树”（STP树）。根桥是一个STP交换网络中的“树根”。STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的“树根”。在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先，拥有最小优先级值的交换机会成为根桥；如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。
              
       对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化，即根桥具备抢夺性。网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。

3、开销(Cost)。

       每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。接口带宽越大，则Cost值越小。用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。
              
       关于Cost的计算方法有三种标准：IEEE 802.1d-1998标准、IEEE 802.1t标准、华为计算方法。华为交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供多厂商场景下最大程度的兼容性。缺省情况下，华为交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。三种标准的详细计算数据见下表：

        在一个STP网络中所有的交换机的Cost计算标准应该保持一致。两台交换机的对端接口的Cost值建议保持一致。 下图是在华为交换机上查看接口开销和计算标准：

4、根路径开销(RPC)。

       在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”，也即RPC。一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。在下例中，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。
              
下图是在华为交换机上查看设备RPC，可以看到此设备到根桥的RPC为0，这表示自己就是根桥：

5、接口ID(PID)。

       运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号。激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换机上，该值为128。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。
              
       下图是在华为交换机上查看设备PID，从上到下依次是接口编号和接口优先级：

6、桥接协议数据单元(BPDU)。

       BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。STP交换机之间会交互BPDU报文，这些BPDU报文携带着一些重要信息，正是基于这些信息，STP才能够顺利工作。BPDU分为两种类型：

• 配置BPDU（Configuration BPDU）
• TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）

       配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键，在一个稳定的网络中你只能抓到配置BPDU；TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发，网络拓扑发生改变时才会抓到TCN BPDU。下表是配置BPDU的报文格式及其字段含义：

PID	PVI	BPDU Type	Flags	Root ID	RPC	Bridge ID	Port ID	Message Age	Max Age	Hello Time	Forward Delay

子节	字段	描述
2	PID	协议ID ，对于STP而言，该字段的值总为0
1	PVI	协议版本ID，对于STP而言，该字段的值总为0
1	BPDU Type	指示本BPDU的类型，若值为0x00，则表示本报文为配置BPDU；若值为0x80，则为TCN BPDU
1	Flags	标志，STP只使用了该字段的最高及最低两个比特位，最低位是TC（Topology Change，拓扑变更）标志，最高位是TCA（Topology Change Acknowledgment，拓扑变更确认）标志
8	Root ID	根网桥的桥ID
4	RPC	根路径开销，到达根桥的STP Cost
8	Bridge ID	BPDU发送桥的ID
2	Port ID	BPDU发送网桥的接口ID（优先级+接口号）
2	Message Age	消息寿命，从根网桥发出BPDU之后的秒数，每经过一个网桥都加1，所以它本质上是到达根桥的跳数
2	Max Age	最大寿命，当一段时间未收到任何BPDU，生存期到达最大寿命时，网桥认为该接口连接的链路发生故障。默认20s
2	Hello Time	根网桥连续发送的BPDU之间的时间间隔，默认2s
2	Forward Delay	转发延迟，在侦听和学习状态所停留的时间间隔，默认15s

下面是对应的抓包图：

       关于STP中Max Age的处理：当非根桥收到根桥的BPDU后，将BPDU中的Message Age+1后，如果等于Max Age直接忽略此BPDU,并且不会在转发此BPDU,通过Max Age配置可以控制STP网络的规模。

三、STP的工作原理。

1、端口角色。

       STP中定义了三种端口角色：

• 指定端口（DP）：负责在链路上转发根桥的最好BPDU的端口，一般情况下根桥的所有端口都是DP。在每条链路(每个冲突域)上都会选举一个DP。
• 根端口（RP）：接收来自根桥最优BPDU的端口，根桥，根桥上没有根端口。在每个非根桥设备上都会选举一个RP。
• 预备/阻塞端口（AP）：既不是非根桥的RP，也不是链路的DP，则该端口为block port即阻塞端口。

2、最优的BPDU。

       对于STP而言，最重要的工作就是在交换网络中计算出一个无环拓扑。在拓扑计算的过程中，一个非常重要的内容就是配置BPDU的比较。在配置BPDU中，有四个字段非常关键，它们是“根桥ID”、“根路径开销”、“网桥ID”以及“接口ID”，这四个字段便是交换机进行配置BPDU比较的关键内容。STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU：

字段	比较规则
根桥ID	最小的根桥ID
根路径开销(RPC)	最小的RPC
网桥ID	最小的网桥ID
接口ID	最小的接口ID

       在这四条原则中（每条原则都对应配置BPDU中的相应字段），第一条原则主要用于在网络中选举根桥，后面的原则主要用于选举根接口及指定接口。

3、STP的计算过程举例。

       使用人的思维，快速确定去下面拓扑的端口角色。在开始分析之前先将S1、S2、S3、S4四台交换机的桥优先级依次修改为0、4096、8192、32768。

3.1、选举根桥。

       交换机在刚启动时都认为自己是根桥，互相发送配置BPDU进行STP运算。最后发现桥优先级最的是S1所以S1成为根桥。

3.2、选举RP。

       以S2为例，因为RP是接收来自根桥最优BPDU的端口，所以首先列出S2两个接口接收的BPDU的关键四字段的值。如下图：

       S2的两个接口接收的BPDU分别是S1和S4发送。因为S2的G0/0/1接口接收的是根桥S1的G0/0/1接口直接发送给他的BPDU，所以RPC等于0，BID等于0，PID等于128.1。S2的G0/0/2接口接收的是，根桥S1的G0/0/2接口发送给S2又转发给S4,S4的G0/0/24接口直接发送给它的BPDU，所以RPC需要做一个累加20000+20000=40000，BID等于S4的值为32768，PID等于128.24。
       然后再根据上面的四个字段依次比较：RID相同都是0，RPC G0/0/1接口接收到的为0，G0/0/2接口接收到的为40000。G0/0/1 < G0/0/2，G0/0/1成为RP。根据这个规则可以快速选举去其余非根桥交换机的RP。

       值得注意的S4在进行RP选举的时候两个接口上接收的BPDU的RPC都是20000，RPC相同接着比较BID。G0/0/24接口接收BPDU的BID是S2的4096，G0/0/22接口接收的BPDU的BID是S3的8192。所以G0/0/24的更小成为RP。

3.3、选举DP。

       以S1和S2这条链路为例，因为DP是负责在链路上转发根桥的最好BPDU的端口。首先列出S1和S2这条链路上两个接口发送的BPDU的关键四字段的值。
       
       和选举RP相同的道理，因为S1是根桥所以它的G0/0/1接口直接发送BPDU，它的RPC等于0，BID等于0，PID等于128.1。S2的G0/0/1接口发送的的BPDU是，根桥S1的G0/0/2接口发送给S2又转发给S4,S4发送给它，它再发送。所以RPC需要做一个累加20000+20000+20000=60000，BID等于自己的值为4096，PID等于128.1。所以很容易比较出S1的G0/0/1接口是DP。根据这个规则可以快速选举去其余非根桥交换机的DP。
       

3.4、选举AP。

       S4的G0/0/22端口自动成为AP。查看交换价端口角色，验证推算。




       推算正确，至此S3和S4之间的链路堵塞，环路被打破。

4、STP的接口状态和状态迁移。

       STP有五种接口状态如下表：

状态名称	状态描述
禁用（Disable）	该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down
阻塞（Blocking）	该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习
侦听（Listening）	当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习
学习（Learning）	当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧（但是不能转发业务数据帧），并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习
转发（Forwarding）	处于该状态的接口可以正常地收发业务数据帧，也会进行BPDU处理。接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态

       关于接口状态的迁移参考下图：

       接口从阻塞状态进入到侦听状态的时间可以忽略不记，从侦听状态进入到学习状态需要15s，从学习状态到转发状态需要15s,所以一个接口如果需要从阻塞状态到转发状态需大概30s。从侦听、学习、转发状态进入到阻塞状态的时间也是忽略不计。