生成树协议（一）STP协议原理简介：广播风暴、MAC地址表震荡实验、STP工作原理、BPDU简介、STP故障处理
文章目录
- 环路引起的问题
- 广播风暴
- MAC地址表震荡
- 实验证明
- STP（Spanning Tree Protocol）生成树协议
- STP中一些重要概念
- Root（根桥、根交换机）
- 端口角色
- BPDU
- 计时器
- STP选举过程（生成树形成过程）
- 根桥的选举
- 根端口的选举
- 指定端口选举
- 端口状态转换
- STP拓扑变化
- 根桥故障
- 直连链路故障
- 非直连链路故障
- 拓扑变化导致MAC地址表错误
- 配置命令
环路引起的问题
为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。
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（泛洪)。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。
MAC地址表震荡
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。
如上图，PC1向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。LSW2收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，对应端口为G0/0/3，并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。
LSW1接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以LSW1会将此帧从G0/0/2转发出去。
LSW3接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以LSW3会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。
LSW2从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。
实验证明
由于华为交换机设备默认开启MSTP（后面文章会讲到），所以我们在搭建完拓扑之后，虽然看上去有环路，但是已经被MSTP消除。所以再给PC配上IP地址之后两台PC是可以通信的，可以用ping验证：
PC1 ping PC2：
随便在交换机之间端口抓包，会发现MSTP报文传递。
在交换机每个端口关闭生成树协议：进入接口，关闭生成树协议：stp disable即可。
此时再用PC1pingPC2发现无法通信：
查看抓包程序：
注意：由于在eNSP中，模拟程序性能相较于实体设备差很多，所以在实际设备中广播量要大的多。
此时进入LSW2，通过display mac-address不断查看交换机MAC地址表，发现MAC地址表
震荡：
STP（Spanning Tree Protocol）生成树协议
那么如何解决上述环路引起的问题呢？
非常的简单，三个交换机之间随机拔掉一根链路就可以了。这样环路是消除了，但是链路也没有了冗余备份的功能。（本来PC1到PC2有两条路可以走，现在就剩下一条了）。
既然物理的拔网线行不通，那么我就从逻辑上将交换机的一个端口堵塞掉（逻辑上的把网线），使一条链路不通。正常情况数据通信走主干道，若是主干道出现了问题，则逻辑堵塞的端口就恢复，备用链路就可以作为通信不就行了。
以上过程，就是STP生成树协议的工作原理。
生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。
STP通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份的目的。
STP主要作用
- 消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
- 链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连通性。
STP中一些重要概念
Root（根桥、根交换机）
STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。
每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部，是STP网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥。
端口角色
STP中定义了三种端口角色：
1. 指定端口（DP）
2. 根端口（RP)
3. 预备端口/预备端口(AP)
- 指定端口：是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。抑制对端发送BPDU，自己发送BPDU。
- 根端口：是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。接收处理对端发送的BPDU报文。
- 阻塞端口：如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。接收对端发送BPDU报文，但是不处理。
BPDU
为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。
BPDU有两种类型：
1. 配置BPDU
2. TCN BPDU
- 配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
- TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。（下文拓扑变化中会讲到）
配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，其中包含的重要信息如下：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| PID | 6字节 | 协议ID |
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| PVI | 6字节 | STP协议版本（三种） |
1. STP（802.1D）传统生成树 值为0
2. RSTP（802.1W）快速生成树 值为2
3. MSTP（802.1S）多生成树 值为3
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| BPDU Type | 1字节 | BPDU类型 |
1. 0x00：STP的Configuration BPDU：配置BPDU，负责建立，维护STP拓扑
2. 0x80：STP的TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）：传达拓扑变更
3. 0x02：RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU）或者MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| Flags | 1字节 | 标记域 |
共有8bits，但是STP中只用了两位：最高位与最低位
1. TCA=1时：拓扑变化响应消息（拓扑变化确认）
2. TN=1时：拓扑变化消息
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| Root Identifier | 8字节 | 网桥ID |
前两个字节时网桥优先级，后六个字节是网桥MAC地址。
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| Root Path Cost | 4字节 | 根路径开销 |
| Bridge Identifier | 8字节 | 发送者BID，本交换机的Bridge ID |
| Port Identifier | 2字节 | 发送端口PID，发送该BPDU的端口ID |
| Message Age | 2字节 | 该BPDU的消息年龄，以秒为单位 |
| Max Age | 2字节 | 消息老化年龄，以秒为单位，超时则认为到根交换机的链路故障（缺省20s） |
| Hello Time | 2字节 | 发送两个相邻BPDU间的时间间隔，以秒为单位。（缺省2s） |
| Forward Delay | 2字节 | 控制Listening和Learning状态的持续时间，以秒为单位 |
计时器
STP协议中包含一些重要的时间参数，这里举例说明如下：
Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。
Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。
（大致功能与IP报文中的TTL值相似，但是工作机制相反，TTL值每经过一个三层设备-1，MSG Age每经过一个交换机+1。）
STP选举过程（生成树形成过程）
STP选举过程非常的简单，通过构造一棵以根桥为根的逻辑树来消除环路。
- 选举根桥
- 每个非根交换机选举一个根端口
- 每条链路选举一个指定端口（有的地方也讲每个网段之间选举，但是感觉网段这个概念不太准确）
- 剩下的为阻塞端口，被阻塞
所有选举的过程都交互BPDU报文来完成。
根桥的选举
交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。**默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。**对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。
选举依据：桥ID(Bridge ID) ，STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。
- 桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。
- 取值范围是0～65535，默认值为32768。
- 桥优先级是可以配置的，配置必须是4096的倍数（步长4096）
- 优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。
根端口的选举
在所有非根交换机上选举根端口。
分别依据该端口的根路径开销（RPC)、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。
RPC：
交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC（Root Path Cost，根路径开销），并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0
PID（端口ID)：
运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。
- 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。
- 缺省情况下，端口优先级是128。端口ID（Port ID)可以用来确定端口角色。
指定端口选举
在链路上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU报文的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路如下图：此时G0/0/1与G0/0/2口选举根端口指定端口）。
选举依据：根路径开销（注意这里为该端口的交换机到达根桥最短路径）、本端BID、本端PID
网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。
端口状态转换
| 端口状态 | 解释 | 详情 |
|---|---|---|
| Forwarding | 转发状态 | 端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。 |
| Learning | 学习状态 （过程态） | 端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。 |
| Listening | 侦听状态（过程态） | 端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。 |
| Blocking/（Discrading(华为设备中)） | 阻塞状态 | 端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。 |
| Disabled | 禁用状态 | 端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。 不收发任何报文 |
由于STP没有确认机制，报文的传输需要时间，为了防止网络拓扑出现临时环路（上游收敛较快，下游收敛较慢，上游若是收敛完毕就开始转发数据可能会造成临时环路）。于是STP采用Forward Delay机制，来避免环路的产生（给下游交换机足够多的时间来收敛）。Forward Delay为15s，从Listening到Learning需要经过一个Forward Delay，从Learning到Forwarding需要经过一个Forward Delay共30s。
STP拓扑变化
根桥故障
在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间（50s）。
直连链路故障
此例中，SWA和SWB使用了两条链路互连，其中一条是主用链路，另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后，如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障，则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态，经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态（30s）。
非直连链路故障
本例中，LSW1与HUB之间的链路发生了某种故障，LSW2因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。等待Max Age定时器超时后，LSW2会认为根桥LSW1不再有效，并认为自己是根桥，于是开始发送自己的BPDU报文给LSW3，通知LSW3自己作为新的根桥。在此期间，由于LSW3的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，LSW3会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给LSW2。所以，Max Age定时器超时后，LSW2、LSW3几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后，LSW2放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。
拓扑变化导致MAC地址表错误
在交换网络中，交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。
本例中，SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机A，通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒，主机A发往主机B的帧到达SWB后，SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。
拓扑变化过程中，根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：
- SWC感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCN BPDU报文。
- SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SWC，告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
- SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
- SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forward Delay的时间（默认为15秒，华为设备默认为0秒）。
- 最多等待15秒之后，SWB中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SWB就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。
配置命令
- 选择模式：
[SWA]stp mode ?
mstp Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) mode
rstp Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) mode
stp Spanning Tree Protocol (STP) mode
[SWA]stp mode stp //华为设备默认模式为MSTP，所以选择STP需手动更改
- 配置交换机优先级
stp priority [4096]。注意优先级步长为：4096。 - 也可以直接通过
stp root primary指定根桥。原理是将交换机优先级修改成0 - 修改路径开销：
stp cost [1000]。华为设备端口开销为20000 - 修改端口优先级
stp port priority [0]。注意端口优先级步长为16。 - 查看命令：
display stp