24-STP链路收敛和高级特性

1. 端口状态机

 

STP端口状态机迁移过程：

运行了STP协议的端口状态有以下五种：

1. Forwarding（简称FWD），转发状态，端口可以转发用户流量和BPDU分组，还可以学习MAC地址，通常只有DP和RP口才能进入Forwarding状态。
2. Learning（简称LRN），学习状态，在学习状态下的端口可以根据用户流量来构建MAC地址表但不转发用户流量，可以处理BPDU流量，其实Learning状态是临时用来防止环路的。
3. Listening（简称LIS），侦听状态，在该状态下端口可以转发BPDU流量，但不能转发用户流量。
4. Blocking（简称BLK），阻塞状态，在该状态下端口只能接受BPDU流量并处理，并不能转发BPDU流量，通常非指定端口（NDP）就是Blocking状态。
5. Disabled，禁用状态，在该状态下端口无法处理和转发BPDU流量和用户流量。

 

2. STP链路收敛

在STP网络中，如果某一台设备的链路发生故障时可以迅速切换到备用链路，从而保证网络拓扑的可靠稳定运行，这就是STP链路收敛，一般STP链路收敛主要有两种：

1. 直接链路收敛
2. 间接链路收敛

 

2.1 直接链路收敛

例如上图中SW1的f0/0口到SW2的f0/1口的链路发生故障时，SW2交换机的NDP端口能够直接检测到f0/0链路发生故障，这种情况通常称之为直接链路收敛（简单来说就是对于网络拓扑可以明显检测到的网络故障）。但是SW2交换机的NDP端口并不会等待50秒后才进行链路收敛，直接链路收敛会跳过端口状态机中的前20秒的老化时间，直接从Blocking状态变迁为Listening状态，然后才等待30S变迁为Forwarding状态，端口的角色也会发生改变，从NDP切换成RP口同时还会进行链路切换。

 

2.2 间接链路收敛

如果你已经明白了直接链路收敛的过程，那么间接链路收敛对你来说小菜一碟。

对于网络拓扑无法明显检测到的网络故障，例如上图中的SW1的f0/1口到SW3的f0/0口这条链路出故障时，SW1发送的BPDU包对于SW3设备来说是接收不到的，那么SW2的NDP端口就会等待50秒，根据端口状态机从Blocking状态依次变迁为Forwarding状态，并且端口角色会从NDP转变为DP端口（从阻塞端口转变为转发端口），同时SW3的f0/1口会从DP端口转变为RP端口，然后进行链路切换。

 

3. 实验1——直接链路收敛

所有设备开启Trunk模式，然后配置STP协议，略过......

 

现在通过实验来分别验证直接链路收敛和间接链路收敛的过程，在此之前需要先开启STP协议的调试功能：

debug spanning-tree events  //开启生成树调试

 

查看SW2设备的端口信息:

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        19
             Port        1 (FastEthernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    4096
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/0      128.1    128    19 FWD     0     0 cc01.3174.0000 128.1  
FastEthernet0/1      128.2    128    19 BLK    19  1024 cc03.29b4.0000 128.2  

从show命令可以看到SW2交换机的f0/1口仍然是处于Blocking状态（BLK）。

 

 

重点来了！在SW2设备上开启STP协议调试功能，然后把SW2的f0/0口关闭，然后注意观察STP协议的调试信息：

SW2#debug spanning-tree events 
Spanning Tree event debugging is on
SW2#
SW2#conf t
SW2(config)#int f0/0
SW2(config-if)#shutdown 
SW2(config-if)#
*Mar  1 00:22:16.827: STP: VLAN1 Fa0/0 -> blocking
*Mar  1 00:22:16.827: STP: VLAN1 new root port Fa0/1, cost 38
//SW2的f0/1口直接从Blocking状态切换到了Listening状态
*Mar  1 00:22:16.831: STP: VLAN1 Fa0/1 -> listening
*Mar  1 00:22:17.331: %DTP-5-NONTRUNKPORTON: Port Fa0/0 has become non-trunk
//这行调试信息的意思就是f0/0接口已经关闭掉了
*Mar  1 00:22:18.799: %LINK-5-CHANGED: Interface FastEthernet0/0, changed state to administratively down
*Mar  1 00:22:18.827: STP: VLAN1 sent Topology Change Notice on Fa0/1
//STP协议更改了f0/0口的状态
*Mar  1 00:22:19.799: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to down
//f0/1口等待15秒后切换到了learning状态
*Mar  1 00:22:31.855: STP: VLAN1 Fa0/1 -> learning
*Mar  1 00:22:40.159: STP: VLAN1 we are the spanning tree root
*Mar  1 00:22:40.247: STP: VLAN1 heard root     0-cc01.3174.0000 on Fa0/1
*Mar  1 00:22:40.247: current Root has  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:22:40.247:     supersedes  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:22:40.247: STP: VLAN1 new root is 0, cc01.3174.0000 on port Fa0/1, cost 38
*Mar  1 00:22:40.251: STP: VLAN1 sent Topology Change Notice on Fa0/1
*Mar  1 00:22:41.251: STP: VLAN1 we are the spanning tree root
*Mar  1 00:22:42.571: STP: VLAN1 heard root     0-cc01.3174.0000 on Fa0/1
*Mar  1 00:22:42.571: current Root has  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:22:42.571:     supersedes  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:22:42.571: STP: VLAN1 new root is 0, cc01.3174.0000 on port Fa0/1, cost 38
*Mar  1 00:22:42.575: STP: VLAN1 sent Topology Change Notice on Fa0/1
//最终SW2的f0/1口经过30秒后最终切换到了forwarding状态。
*Mar  1 00:22:46.879: STP: VLAN1 Fa0/1 -> forwarding

SW2的f0/1口已经完成了从Blocking状态变迁为Forwarding状态的变迁。

 

 

然后通过show命令查看SW2的f0/1口的状态，如下所示：

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        38
             Port        2 (FastEthernet0/1)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    4096
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/1      128.2    128    19 FWD    19  1024 cc03.29b4.0000 128.2  

SW2#

从STP协议的调试信息中可以验证，对于网络拓扑中可以直接检测到的网络故障，STP协议会进行直接链路收敛完成端口的状态变迁和端口角色的改变，其过程只需要30秒。

 

 

喜欢思考的小伙伴可以会问，如果原来的链路恢复了的话，还会切换到原来的链路吗？？？

很明显，答案是会的，并且原来链路的端口角色和状态都会恢复。

 

进入SW2设备的f0/0口的配置模式并开启f0/0口，注意观察STP协议的调试信息：

SW2(config-if)#no shutdown 
SW2(config-if)#
*Mar  1 00:56:02.587: STP: VLAN1 we are the spanning tree root
*Mar  1 00:56:02.631: STP: VLAN1 heard root     0-cc01.3174.0000 on Fa0/1
*Mar  1 00:56:02.631: current Root has  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:56:02.631:     supersedes  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:56:02.631: STP: VLAN1 new root is 0, cc01.3174.0000 on port Fa0/1, cost 38
*Mar  1 00:56:02.631: STP: VLAN1 sent Topology Change Notice on Fa0/1
//开启恢复f0/0端口后，直接进入Listening状态
*Mar  1 00:56:03.115: STP: VLAN1 Fa0/0 -> listening
*Mar  1 00:56:03.603: %DTP-5-TRUNKPORTON: Port Fa0/0 has become dot1q trunk
*Mar  1 00:56:03.631: STP: VLAN1 we are the spanning tree root
*Mar  1 00:56:03.655: STP: VLAN1 heard root     0-cc01.3174.0000 on Fa0/0
*Mar  1 00:56:03.655: current Root has  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:56:03.655:     supersedes  4096-cc02.0e64.0000
*Mar  1 00:56:03.655: STP: VLAN1 new root is 0, cc01.3174.0000 on port Fa0/0, cost 19
*Mar  1 00:56:03.659: STP: VLAN1 sent Topology Change Notice on Fa0/0
//f0/1端口从Forwarding状态切换到了Blocking
*Mar  1 00:56:04.419: STP: VLAN1 Fa0/1 -> blocking
*Mar  1 00:56:05.047: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:56:06.047: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to up
*Mar  1 00:56:18.139: STP: VLAN1 Fa0/0 -> learning
*Mar  1 00:56:24.435: STP: VLAN1 Fa0/1 -> listening
*Mar  1 00:56:25.563: STP: VLAN1 heard root  1024-cc03.29b4.0000 on Fa0/1
*Mar  1 00:56:25.563: current Root has     0-cc01.3174.0000
*Mar  1 00:56:26.559: STP: VLAN1 Fa0/1 -> blocking
//然后f0/0经过30S后从Listening状态切换到了Forwarding状态
*Mar  1 00:56:33.163: STP: VLAN1 Fa0/0 -> forwarding

STP协议给出的调试信息可以看到SW2设备的f0/0和f0/1两个端口的角色和状态的切换过程。

 

再次通过show命令查看SW2设备STP配置信息：

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        19
             Port        1 (FastEthernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    4096
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/0      128.1    128    19 FWD     0     0 cc01.3174.0000 128.1  
FastEthernet0/1      128.2    128    19 BLK    19  1024 cc03.29b4.0000 128.2  

SW2#

说明链路，端口的角色状态已经切换回来了。

 

4. 实验2——间接链路收敛

如果直接链路收敛的实验你已经会了的话，留个思考题：完成间接链路收敛的验证过程。

 

 

5. STP高级特性

如果当前网络发生故障时，STP链路收敛最少都要30秒的时间，网络才会恢复稳定。

这对于要求实时性严格的网络场景下，例如数据中心网络，是绝对不允许网络长时间出现故障，甚至一秒，两秒都不行，因为在实际的网络环境中，如果不能及时解决网络故障会对企业带来损失，时间越长损失也越大，所以这对网络的稳定有了更高的要求：当链路出现故障时能马上快速收敛（缩短收敛时间）。

既然我们能想到这个问题，那当时思科的工程师们在设计STP协议时肯定也考虑到了这个问题，STP提供了三个高级特性来完成STP链路加速收敛。

 

5.1 PortFast（端口加速）

Portfast：端口加速，主要是用于主机接入交换机的端口进行快速收敛，并且这些端口是不需要运行STP协议。

如上图所示，SW2交换机的f0/2和f0/3口就是主机接入交换机的端口，通常是用于主机接入交换机的，不需要运行STP协议，这意味着也不需要发送BPDU分组，不参与端口的选举，重点是链路收敛不需要等待30S，那么我们就可以把SW2交换机的f0/2和f0/3口设置为Portfast（端口加速技术）。

 

以SW2设备的f0/2端口为例，开启Portfast技术，配置如下：

SW2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
SW2(config)#int f0/2
SW2(config-if)#spanning-tree portfast 

 

在没有开启端口加速技术之前，关闭SW2的f0/2接口，然后再打开SW2的f0/2接口：

SW2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
SW2(config)#int f0/2
SW2(config-if)#shutdown 
SW2(config-if)#no shutdown 
SW2(config-if)#
*Mar  1 00:05:40.967: %LINK-5-CHANGED: Interface FastEthernet0/2, changed state to administratively down
*Mar  1 00:05:42.167: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/2, changed state to down
SW2(config-if)#
SW2(config-if)#exit
*Mar  1 00:05:44.223: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/2, changed state to up
*Mar  1 00:05:45.223: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/2, changed state to up
SW2(config)#
SW2(config)#exit
SW2#

 

show命令多次查看SW2设备的f0/2端口的状态：

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        19
             Port        1 (FastEthernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    1024
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/0      128.1    128    19 FWD     0     0 cc01.3174.0000 128.1  
FastEthernet0/1      128.2    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.2  
FastEthernet0/2      128.3    128    19 LIS    19  1024 cc02.0e64.0000 128.3  
FastEthernet0/3      128.4    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.4  

SW2#

 

然后再次查看SW2设备的f0/2端口的状态：

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        19
             Port        1 (FastEthernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    1024
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/0      128.1    128    19 FWD     0     0 cc01.3174.0000 128.1  
FastEthernet0/1      128.2    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.2  
FastEthernet0/2      128.3    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.3  
FastEthernet0/3      128.4    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.4  

SW2#

在没有开启端口加速技术之前，f0/2端口重启后需要等待30秒才会转换成Forwarding状态（Listening  -->  Learning  -->  Forwarding）。

 

 

现在SW2设备的f0/2端口开启Portfast技术，配置如下：

SW2#conf t
Enter configuration commands, one per line.  End with CNTL/Z.
SW2(config)#int f0/2
SW2(config-if)#spanning-tree portfast 
%Warning: portfast should only be enabled on ports connected to a single host.
 Connecting hubs, concentrators, switches,  bridges, etc.to this interface
 when portfast is enabled, can cause temporary spanning tree loops.
 Use with CAUTION

%Portfast has been configured on FastEthernet0/2 but will only
 have effect when the interface is in a non-trunking mode.
SW2(config-if)#

 

然后先关闭f0/2端口再开启，然后查看f0/2端口的状态：

SW2(config)#int f0/2
SW2(config-if)#shutdown 
SW2(config-if)#no shutdown 
SW2(config-if)#exit
SW2(config)#
*Mar  1 00:20:08.603: %LINK-5-CHANGED: Interface FastEthernet0/2, changed state to administratively downexit
SW2#
*Mar  1 00:20:11.363: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/2, changed state to up

*Mar  1 00:20:11.683: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console sp



SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        19
             Port        1 (FastEthernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    1024
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/0      128.1    128    19 FWD     0     0 cc01.3174.0000 128.1  
FastEthernet0/1      128.2    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.2  
FastEthernet0/2      128.3    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.3  
FastEthernet0/3      128.4    128    19 FWD    19  1024 cc02.0e64.0000 128.4  

SW2#

由于f0/2开启了端口加速技术，f0/2端口重启后直接切换成了Forwarding状态，并没有等待30秒才切换。

 

5.2 UplinkFast（上联加速）

UplinkFast：是上联加速，用于加速直接链路收敛，常用于接入层交换机上。

原先在学习直接链路收敛的时候，SW2设备的f0/0端口发生网络故障时，f0/1口需要等待30秒才会进行切换端口的角色和状态（切换链路）。

 

SW2设备开启UplinkFast技术，配置如下：

SW2(config)#spanning-tree uplinkfast 

 

关闭f0/0端口，show命令查看f0/1端口的状态信息：

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.08c8.0000
             Cost        38
             Port        2 (FastEthernet0/1)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    4096
             Address     cc02.1c80.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/1      128.2    128    19 FWD    19  1024 cc03.2f4c.0000 128.2  

SW2#

当SW2设备开启了UplinkFast技术后，当SW2设备的f0/0端口关闭时，SW2的f0/1端口会马上切换到Forwarding（FWD）状态，不用等待30秒。

 

下面这条命令可以查看生成树汇总信息，并且还可以查看uplinkfast 技术是否被开启：

SW2#show spanning-tree summary

 

查看SW2的STP汇总信息：

SW2#show spanning-tree summary 
Root bridge for: none.
PortFast BPDU Guard is disabled
//表示UplinkFast技术开启
UplinkFast is enabled
BackboneFast is disabled

Name                 Blocking Listening Learning Forwarding STP Active
-------------------- -------- --------- -------- ---------- ----------
VLAN1                0        0         0        1          1         
-------------------- -------- --------- -------- ---------- ----------
              1 VLAN 0        0         0        1          1         

Station update rate set to 150 packets/sec.

UplinkFast statistics
-----------------------
Number of transitions via uplinkFast (all VLANs)            : 0
Number of proxy multicast addresses transmitted (all VLANs) : 0
SW2#

 

5.3 Backbonefast（骨干加速）

Backbonefast：骨干加速，用于加速间接链路收敛，可以减少20s，开启Backbonefast技术还是需要等待30秒的时间。

 

根据之前我们所学的间接链路收敛可知，当SW1的f0/1口到SW3的f0/0口链路故障时，SW2的NDP口就无法收到对面发送的BPDU分组了。SW3可能会认为SW1作为Root设备出故障而无法发送BPDU分组，然后代替SW1成为Root发送BPDU分组（一般是发送次级BPDU分组）。

 

但是SW1左边的链路仍然还会每2秒向SW2设备发送BPDU分组，当所有的链路都部署了Backbonefast技术时，SW2设备收到SW1设备的BPDU分组时就会向SW1设备发送RLQ请求分组，SW1设备收到会发送一个RLQ响应分组，SW2设备的NDP口仍然会等待30秒切换成DP口（缩短了20秒）。

 

在所有链路上开启Backbonefast技术，配置如下：

SW1(config)#spanning-tree backbonefast 
SW2(config)#spanning-tree backbonefast
SW3(config)#spanning-tree backbonefast 

 

然后在SW3设备上把f0/0端口直接关闭：

SW3(config)#int f0/0
SW3(config-if)#shutdown 
SW3(config-if)#
*Mar  1 00:07:43.331: %DTP-5-NONTRUNKPORTON: Port Fa0/0 has become non-trunk
*Mar  1 00:07:44.679: %LINK-5-CHANGED: Interface FastEthernet0/0, changed state to administratively down
*Mar  1 00:07:45.679: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface FastEthernet0/0, changed state to down
SW3(config-if)#

 

通过show命令查看SW2设备的NDP接口状态：

SW2#show spanning-tree vlan 1 brief

VLAN1
  Spanning tree enabled protocol ieee
  Root ID    Priority    0
             Address     cc01.3174.0000
             Cost        19
             Port        1 (FastEthernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    4096
             Address     cc02.0e64.0000
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time 300

Interface                                   Designated
Name                 Port ID Prio Cost  Sts Cost  Bridge ID            Port ID
-------------------- ------- ---- ----- --- ----- -------------------- -------
FastEthernet0/0      128.1    128    19 FWD     0     0 cc01.3174.0000 128.1  
FastEthernet0/1      128.2    128    19 LIS    19  4096 cc02.0e64.0000 128.2  

SW2#

根据show命令给出的信息可以看到，所有链路部署了Backbonefast技术后，当链路发生故障时，SW2交换机的NDP口马上从Blocking状态依次变迁为Listening状态（收敛时间减少了20秒），换句话说，开启了Backbonefast技术后，间接链路在收敛时确实减少了20秒时间。