计算机网络之STP（Spanning Tree Protocol）生成树协议详解及其实验配置

目录

1.STP概念

1.1  STP选举过程

1.1.1 根桥和根端口的选举

1.1.2 端口角色的选举

2.STP端口状态解释及转换

2.1 STP的五种端口状态

2.2 STP过程中的两种常见问题

3.STP的拓扑改变条件及流程

3.1 STP的拓扑改变流程 

3.2 STP拓扑改变的条件

3. STP华为eNSP实验

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1.STP概念

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。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协议的原理：找到交换网络中的冗余链路，然后阻塞一端，避免环路。

STP协议的版本：IEEE 802.1D（STP）、IEEE 802.1W（RSTP-Rapid）、IEEE 802.1S（MSTP-Multiply  华为私有协议）

HUB网络就算存在冗余链路引也不会出现环路，因为HUB工作在物理层，工作模式为半双工。

1.1  STP选举过程

 

STP的选举过程：

1. 选举一个根桥        在一个交换网络中选举一个根桥，根桥是设备的概念。默认情况下所有设备都是根桥，通过交互BPDU包优选BID小的设备作为根桥，在STP根桥选举后只会由根桥每隔2秒发送一次BPDU包，其它的非根桥接收后转发。

2.每个非根交换机选举一个根端口         根桥选举后，交换网络中的其它设备都是非根桥，每个非根桥还需要选举一个到达根桥最短路径的端口成为根端口。注：非根桥只能由一个根端口

3.每个网段选举一个指定端口                 每条链路上还需要选举一个指定端口，默认情况下根桥的所有端口都是指定端口

4.阻塞非根，非指定端口                既不是根端口也不是指定端口的其它端口需要被阻塞。不能转发数据帧。

 

所有配置了STP协议的交换机都会发送BPDU（桥协议数据单元）报文，通过交互BPDU报文选举设备角色和端口角色。

BPDU包是通过组播的方式发送的。目的MAC地址：01-80-C2-00-00-00

STP BPDU包结构：

Protocol id=00（生成树协议）

Protocol Version= 00（STP）02（RSTP）03（MSTP）

BPDU Type = 00（Config BPDU）80（TCN BPDU）

BPDU Flags = TC（拓扑改变）TCA（拓扑改变确认）这些Flags只有在配置BPDU包中被置位

 

STP协议中包含一些重要的时间参数，这里举例说明如下：

Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥行修改才有效。

Message Age：如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0.否则，Message Age是从根桥发送带当前桥接接收到BPDU的总时间，包括传输时延等。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在整网中一直。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，则该设置BPDU报文会被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为Hi好网络直接过大，导致了根桥连接失败。

设备角色：根桥、非根桥

端口角色：根端口、指定端口、替代端口

1.1.1 根桥和根端口的选举

根桥的选举：

通过比较BID（桥ID）选举，优选BID小的。BID参数由两部分组成：优先级（默认值为32768）+MAC地址（交换机的背板MAC地址）

1.比较优先级，优先级越小越优

2.如果优先级一样，比较MAC地址，MAC地址越小越优

根端口的选举：

RPC（root path cost）RPC是BPDU包中的一个参数，用于标识发送BPDU包的交换机自己到达根桥的距离

本地端口的RPC（通过端口到根桥的距离）=本端口的PC+收到的BPDU报文中通告的RPC

PC（port cost）PC的计算是需要依据端口的带宽来计算的，目前计算PC的标准有三种：1.IEEE 802.1d

2.IEEE 802.1t    3.华为私有标准

 

1.1.2 端口角色的选举

 

STP端口角色的选举过程：

1.比较RID（根桥ID），优选小的

2.比较到达根桥的RPC（root path cost），越小越优

3.比较BPDU包发送者的BID，越小越优

4.比较BPDU包发送者的PID（Port ID（端口ID）），端口ID由两部分组成=端口优先级（默认为128，可以配置，配置时必须为16的整数倍）+端口ID 越小越优

5.比较BPDU包接收者的PID，越小越优

STP有几种端口角色：根端口（RP--Root Port），指定端口（DP --Define Port），替代端口（AP---Alternative Port）

2.STP端口状态解释及转换

2.1 STP的五种端口状态

STP中有几种端口状态：Disable（禁用）、Listening（监听）、学习（Learning）、转发（Forwarding）、阻塞（Blocking）

Disable（禁用）：端口shutdown，端口Up后会从Disable转为Listening状态

Listening（监听）：在该状态下可以发送和接收BPDU包，但是不能转发数据帧，用于选举设备角色和端口角色，该状态会维持一个，该状态会维持一个Forward Delay（15秒）的时间，超过该时间后会过渡到Learning状态

Learning（学习）：在该状态下可以发送和接收BPDU包，可以接收但是不能转发数据帧，会学习源MAC地址用来构建MAC地址表，该状态会维持一个Forward Delay（15秒）的时间，超过该时间后会过渡到Forwarding状态

Forwarding（转发）：在该状态下可以发送和接收BPDU包，同时也可以接收和转发数据帧。

Blocking（阻塞）：在该状态下可以接收BPDU包，但是不能转发BPDU包和数据帧。

 

STP中根桥的选举依据的是桥ID，STP中的每个交换机都会有一个桥ID（Bridge ID）。桥ID由16位的的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0~65535，默认值为32768.优先级最高的设备（桥ID最小）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。

交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算啊。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，这样的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报文给相邻交换机。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地段，宣告新的根桥。

Disable->Listening->Blocking（AP）

Disable->Listening->Learning->Forwarding（RP/DP）

直接链路故障进入到转发状态需要的时间是30秒（两次转发延时）

间接链路故障进入到转发状态需要的时间是50秒（MAX  AGE+Forward delay×2）

2.2 STP过程中的两种常见问题

什么场景下STP的收敛时间是30秒？

1.直连故障

2.AP切换到RP

什么场景下STP收敛的时间是50秒？

1.非直连故障和单向链路故障

2.次优BPDU

 

3.STP的拓扑改变条件及流程

TCN BPDU包：拓扑改变通告

TCN BPDU包只能由非根桥发起，沿着根端口通告给根桥

 TCA BPDU包：用于确认接收到的TCN BPDU包

TC BPDU包：只能由根桥发起，连续发送35秒（max age+forwarding delay）

接收到TC BPDU包后会将自己的MAC地址表老化时间设置为15秒，加速老化

 

3.1 STP的拓扑改变流程 

STP的拓扑改变流程

1.如果非根桥上发生拓扑改变，向根端口发送TCN BPDU包，通告根桥拓扑已经变化

2.上联的非根桥从指定端口收到了TCN BPDU包后，会向发送者恢复TCA flag位置位的配置BPDU包，同时继续向根桥发送TCN BPDU包

3.根桥收到TCN BPDU包后，向发送者回复TCA flag位置位的配置BPDU包，同时向所有的指定端口发送TC flag置位的配置BPDU包，TC置位的配置BPDU包会持续发送35S（max age+forward delay），同时将自己的MAC地址表的老化时间设置为15S

4，其它非根桥收到TC置位的配置BPDU包后，将自己MAC地址表的老化时间设置为15S

3.2 STP拓扑改变的条件

STP中触发拓扑改变的条件：

1、一个端口从forwarding状态过渡到blocking或者disable状态

2、一个非根桥如果从指定端口接收到TCN BPDU，需要向根桥转发TCN BPDU

3、一个端口进入到forwarding状态，并且本地（交换机）已经存在一个指定端口 

 

 

华为X7系列交换机支持三种生成树协议模式。

stp mode  {  mstp（多路生成树协议）  |  stp   |  rstp（快速生成树协议） }命令用来配置交换机的生成树协议模式。缺省情况下，华为X7系列交换机工作在MSTP模式。在使用STP前，STP模式必须重新配置。 

 

 

STP  ，RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol），华为私有协议

 

3. STP华为eNSP实验

STP实验：

拓扑图;

一：宣布根桥

二：查看根桥

三：修改STP模式为STP

 四：修改SW3的RPC值来完成端口角色的转换

通过display stp brief 命令查看各端口的角色，发现SW3与拓扑图不符

查看端口的PRC发现是默认的20000，所以需要修改g0/0/1口的PRC来实现角色的转换 

五：查看修改效果