生成树协议总结

技术背景：在传统的单核心网络中存在单链路故障，所在在很多可靠性较高的网络环境中，会引入备份链路。引入备份链路的同时也会引出一个问题，会造成交换式网络环路，导致如：广播风暴、MAC地址抖动、多帧复制等危害。

生成树协议：在一个物理成环的交换式网络中，通过运行生成树协议，在逻辑上阻塞一个或多个端口，形成无环的网络。当网络主干链路发生故障时，可以将阻塞的链路打开，实现冗余备份。

工作原理：BPDU（网桥协议数据单元）

• 配置BPDU：在网络初始化时，用于进行角色选举。在网络稳定时，周期性的发送用于链路的检测和维护。发送周期为2S一次，老化时间为20s
• TCNBPDU：网络拓扑发生变更时，用于通知根桥交换机

重要字段：

• 网桥ID：用于标识一条交换机的身份信息。由优先级（2B）和MAC地址（6B）组成。优先级的范围为0-65535，有效范围为0-61440，步长为4096。网桥ID的优先规则是先比较优先级，越小越优先。优先级一致比较MAC地址，越小越优先。
• 根网桥ID：用于描述根交换机的身份信息。（在交换机刚启动是，会认为自己就是根网桥）
• 端口ID：用于描述交换机上每一个端口的信息。由端口优先级和端口编号组成。端口ID的优选规则是先比较端口优先级，越小越优先。端口优先级一致则比较端口编号，越小越优先。
• 路劲开销：描述到达根网桥的路径开销。（带宽越大，开销越小）

角色选举：

• 根网桥：所有交换机中网桥ID最小的成为根桥。
• 根端口：用于接收根网桥信息的端口（非根桥上有且只有一个）。优选规则：选择路径开销最小的；选择发送网桥ID最小的；选择发送端口ID最小的。
• 指定端口：用于转发网桥信息的端口。优选规则：选择路径开销最小的；选择发送网桥ID最小的；发送端口ID最小的。
• 阻塞端口：不是根端口和指定端口的端口。

端口状态：

• Disable：禁止状态
• Blocking：阻塞状态，只接收BPDU，不发送BPDU。
• Listenning：侦听状态，接收并发送BPDU，不学习MAC地址
• Learning：学习状态，接收并发送BPDU，学习MAC地址，不转发数据。
• Forwarding：转发状态，接收并发送BPDU，学习MAC地址，转发数据。
  注：所有的端口角色都在Listenning状态确认，如果是Blocking状态就直接转换。

收敛时间：

• Hello：2s
• Max Time：20s
• Forward Delay：15s
• 直接收敛：30s
• 间接收敛：50s

从收敛时间可以看到，STP协议的弊端很明显，30s甚至50s的空档期在很多场景都是一致制命的缺陷，且还存在如网络拓扑变更和刷新不灵活的缺陷。在接入网络边缘的终端设备如果频繁上下限，会触发大量TCNBPDU。网络拓扑的变更必须由根桥统一通知（不灵活）。基于这些缺点提出了RSTP（快速生成树）。

端口角色变化：

• 根端口：无变化
• 指定端口：无变化
• 替代端口：根端口的替代
• 备份端口：指定段的备份

端口状态变化：

• Discarding：丢弃状态（原先的Disabled、Blocking、Listening）
• Learnning：学习状态
• Forwarding：转发状态

快速收敛机制：

• 根端口的快速收敛机制：增加了替代端口，当根端口出现故障时，替代端口第一时间成为新的根端口
• 指定端口的快速收敛机制：增加了备份端口，当指定端口出现故障时，备份端口第一时间成为新的指定端口。在两台设备中产生新的连接时，使用P/A机制进行协商（前提是点到点网络）。链路两端的端口初始都为阻塞状态。发出P置位的BPDU，随后网桥会根据收到的RST BPDU判断端口是否为根端口，如果是，网桥启动同步过程。同步过程指网桥阻塞除边缘端口之外的所有端口，在本网桥层面消除环路的可能。同步完成之后，根端口置位Forwarding状态，回复一个P和A同时置位的RST BPDU。上游端口收到后，端口置位Forwarding状态 。下游交换机的指定端口也开启同步收敛机制。
• 拓扑的快速收敛机制：当非边缘端口转变为Forwarding状态时，会在两倍的Hello Time内向根端口以及其他所有的指定端口发送TC置位的RSTBPDU，同时清除这些端口学习到的MAC地址。当交换机收到了TC置位的RSTBPDU时，会在两倍的Hello Time内向指定端口和根端口发送TC置位的RSTBPDU，并清除这些端口的MAC地址。
• 边缘端口的快速收敛机制：用于连接终端设备的端口可以手动配置为边缘端口，当网络拓扑发生变化时，边缘端口可以直接进入Forwarding状态且不会产生TC置位的RSTBPDU。

RSTP既然弥补了收敛速度这个缺陷，那么会不会也不是那么完美呢？没错，RSTP和STP还有一个通病，被阻塞的链路无法通过流量，带宽也就被闲置了。基于此又提出来MSTP（多实例生成树），既拥有快速收敛特性，也实现了流量的负载分担。

MSTP：将网络中的VLAN实例化，将不同的多个vlan映射到不同的实例中去，针对不同的实例指定不同的优先级，生成不同的实例根，从而实现流量的负载均衡。MSTP还可以分区域，在网络规模较大的情况下，可以在逻辑上分为多个区域。宏观上每个域是一台交换机，所有的域连接生成一颗生成树。域内也会生成独立的生成树。