STP详细笔记

STP详细笔记

产生的背景

由于网络的冗余性（关键设备冗余、关键链路冗余）带来的问题，可能带来二层环路问题，从而引发广播风暴，设备MAC地址紊乱、以及MAC地址漂移等一系列问题。而STP可以保持网络冗余的前提下打破网络二层环路。
生成树协议一共有三种:STP（802.1d）、RSTP（802.1w）、MSTP（802.1s）
注：生成树具有向下兼容性，如果全网中有一台设备运行低版本协议，网络中运行高版本的协议会自动降级向低版本兼容。如果2倍的hello time 时间没收到低版本协议的BPDU报文则会切换为高版本。

基本概念：

1、桥ID（bridge identification）BID
每台运行STP的交换机都会拥有全网唯一的桥ID。BID共8byte，包含16bit的桥优先级和48bit的桥MAC地址。优先级缺省值32768，范围是0-655535，使用时数值必须为4096倍数。MAC地址为背板最小地址。
2、根桥（root bridgr）RB
根桥在全网中只会有一个。STP运行的第一件事就是选举根桥。选举规则为全网中拥有最小的桥ID为根桥。BID由优先级和MAC地址组成，选举规则为先比较优先级再比较MAC地址，两者皆是小优。缺省值为32768，可以进行修改从而干涉根桥选举。
3.开销（cost）
每个运行了STP的接口，都有一个cost值，接口的缺省cost值不但和接口速率和工作模式有关，还与所使用的计算方法有关。
4、根路径开销（root path cost）RPC
RPC值是主要计算某接口到达RB的沿途累加cost值。也就是从该接口到RB需要多少的开销。数值越小越优。
5、接口ID（port identification）PID
运行stp的交换机使用PID来标记每一个接口。PID的长度为16bit，由4bit的接口优先级和12bit的接口编号组成。缺省为128，范围为0-240，调整时必须是16的倍数。

6、STP的选举流程

1、选举根桥
比较BID，优者为根桥。首先比较优先级，若相同比较MAC,都是小优。
2、选举根端口
 比较RPC值，小者胜出。若相同进行下一项比较。
 在比较对端BID，小者优
 比较对端PID，小者优
3、选举指定端口
 一般情况下，根桥下所有的端口为指定端口
 比较RPC值，小者胜出。若相同进行下一项比较
 比较本端BID，小者优
 比较本端PID，小者优
4、既不是根端口也不是指定端口的接口则为阻塞接口
思考：为什么选举根端口比较对端信息而指定端口比较本端信息。
为什么桥ID的优先级为0-65535？

STP报文

BPDU报文分为两中类型：分别为配置BPDU（configuration BPDU）、拓扑改变BPDU（topology change notification）。
BPDU发送方式：组播，组播MAC地址为0180-c200-0000
配置BPDU
在网络初始化过程中，每台交换机都会从自己激活了STP的接口发送配置BPDU报文。当STP收敛完成后，只有根桥才会周期的发送配置BPDU（缺省发送时间为2秒），而非根网桥的RP口收到上游发送的配置BPDU后，立即触发产生自己的配置BPDU，并从指定端口发出。

配置BPDU的报文格式

字节数	字段	描述
2	协议ID（protocol identifier）	在stp中该值总为0
1	协议版本ID（protocol version identifier、）	在stp中该值总为0；生成树的版本
1	BPDU类型（BPDU type）	值为0x00为配置BPDU；值为0x80为TCN BPDU
1	标志（Flage）	在STP中该字段用于网络拓扑变化标志。STP仅使用了最低位（TC，拓扑变更），最高位是TCA（拓扑变更确认）标志
8	根桥ID	根桥的桥ID
4	根路径开销	到达根桥STP路径开销
8	网桥ID	发送本BPDU的桥ID
2	接口ID	发送本BPDU的接口ID
2	消息寿命（message age）	根桥所发送的BPDU中，该字段值为0，此后每经过一个交换设备，该字段值加一，本质上指BPDU所经过的交换设备个数。
2	最大寿命（Max age）	BPDU的最大存活时间，也被称为老化时间，缺省20S
2	Hello时间	BPDU所发送的时间间隔
2	转发延迟（forward delay）	接口在侦听和学习状态所停留的时间

TCN BPDU

格式：协议ID、协议版本ID、BPDU类型。
作用：当网络中拓扑发生改变时，该交换机的根端口逐级向根桥通知变化的发生，使全网交换机尽快老化自己的MAC地址表项，以便快速适应新网络。在网络稳定时只会产生配置BPDU。
两种特殊的BPDU
1、“标志”字段中TCA比特位被设置为1的配置BPDU
为了保证STP从拓扑变更的交换机传递到根桥的过程是可靠的，当收到下游发送的TCN BPDU后，需使用“标志”字段中TCA比特位被置位为1 的配置BPDU回应对方并向自己的上游发送TCN BPDU。一直持续到根桥收到该TCN BPDU。
2、“标志”字段中TC比特位被设置为1的配置BPDU
当根桥收到TCN BPDU后，意味者网络拓扑发生改变，它将向网络中泛洪“标志”字段中TC比特位被设置为1的配置BPDU，网络中交换机收到该报文后，会将自己的MAC老化时间改为转发延时，使得MAC表尽快刷新。

STP时间参数

Hello time：发送配置BPDU的时间间隔。修改必须在根桥上进行修改，修改后所有非根网桥会向根桥对齐该时间值。
forward time：接口从侦听状态到学习状态，或者学习状态到转发状态的延迟时间，缺省15秒。这两种状态分别为了避免临时环路和数据帧的泛洪现象。
Max age：BPDU老化时间，缺省20S.在非根网桥的接口上保存这来自上游的最优BPDU，如过在老化时间之前收到这个BPDU，则该计时器会被重置，若未收到，该BPDU被老化，将会从新选举根端口。
从阻塞进入转发状态需要花费30 -50s

STP的接口状态

状态名称	状态描述
禁用状态 disable	不能收发BPDU，也不能转发数据帧
阻塞状态 blocking	不发送BPDU，但会持续侦听。不能转发业务数据帧，不进行MAC学习
侦听状态 listening	可以收发BPDU报文，但是不能转发业务帧，不进行MAC地址学习
学习状态 learning	可以收发BPDU报文，但是不能转发业务帧，进行MAC地址学习
转发状态 forwarding	可以正常收发业务帧，也会进行BPDU处理。

STP配置