【网络hcip】STP生成树协议总结
STP生成树协议总结
目录
三层架构
环路形成的问题：
STP（Spanning Tree Protocol）：
STP主要作用
STP中的名词解释
STP操作协议过程
选举根桥
确定端口角色
根路径开销
桥ID作用
端口ID作用
端口状态
RSTP
MSTP
生成树的比较
三层架构
在了解stp之前我们需要理解一些网络中的三层架构
核心层 ：实现高速转发，NAT （ 路由器）
汇聚层：流量的集合 （三层交换机）
接入层：提供端口密度，用于用户的转发 （二层交换机）
其中在三层架构中最重要的思想为冗余：故线路冗余、设备冗余、网关冗余以及ups(电源冗余)
核心层中的路由器中有路由表有相对完善的算法，以及存在防环规则，故路由器物理链路上实施备份时，一般不会出现环路；
但交换转发数据依赖MAC表（CAM表），该表的生成规则非常简单（记录产生），没有防环设计，故只要交换机使用链路备份，就将出现二层环路；
CAM：将MAC地址+接口编号+VLAN ID进行哈希运算后，存储的哈希值；
环路形成的问题：
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，从而影响整个网络的通讯。
总结：1、环路会引起广播风暴，网络中的主机会收到重复数据帧。
2、环路会引起MAC地址表震荡。
- 广播风暴
广播风暴（broadcast storm）简单的讲是指当广播数据充斥网络无法处理，并占用大量网络带宽，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪，这就发生了“广播风暴”。一个数据帧或包被传输到本地网段 （由广播域定义）上的每个节点就是广播；由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴。
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- MAC地址在交换机中的刷新时间为5min，一个接口可以对应多个MAC；但一台交换机上同一MAC地址只能对应一个接口；
解决方法
对于上述的一些问题我们需要一些解决方法即STP（Spanning Tree Protocol）
STP（Spanning Tree Protocol）：
STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写，可应用于计算机网络中树形拓扑结构建立，主要作用是防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作。
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中的名词解释
- 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。
- 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：（桥协议数据单元）
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 （周期2s发送 hollw time 20s）
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。
STP操作协议过程
首先为了防环，需要找一个中心设备，来作为生成的树形结构的根结点，这个根结点就是根桥了,根桥可以通过所有的端口完成对数据的转发。一旦根桥被选举出来，那其余的交换机就必须找出一个他自己的端口来作为根端口，每台交换机只能有一个根端口，并且任意两台交换机之间都要有且只能有一个指定端口 ，这一端口应与开销最小的链路相连，也就是带宽最大，最快的一条链路。
简介概括 （跟网桥 跟端口 指定端口 阻塞端口）
（1）选举根桥。
（2）每个非根桥交换机计算到达根桥的最短路径。
（3）选择活动端口以及端口的角色类型
-
选举根桥
- 树形网络必须要有树根，于是STP引入了根桥。网络中每台设备都有对自己的桥ID
桥ID=网桥优先级 + 桥MAC（本地背板池）
在网络的初期所有的STP设备都认为自己是根桥，所以他们会相互交换配置BPDU来比较桥ID。进而比较出最小的桥ID被选为根桥。因为桥MSC的地址在网络中唯一，所以能够保证桥ID在网络中也是唯一的。
在比较桥ID时先比较优先级，优先级小的优；若相同比较桥MAC，小优。（网桥优先级 0-65535，默认32768 ）
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确定端口角色
- 因为STP的作用是阻断冗余链路形成树形网络拓扑，所以要将环路上的某些端口设置为阻塞带端口，不允许数据通过，即下面是确定端口角色的过程
1、根桥的所有端口为指定端口（DP）
2、为每个非根网桥选择跟路径开销最小的那个端口为跟端口（RP）该端口到根桥的路径是此网桥到根网桥的最佳路径
3、为每个物理段选择出跟路径开销最小的的那个网桥为指定桥，该指定桥到该物理段的端口作为指定端口，负责所在物理段上的数据转发
4、以上三种不是的，为Alternate端口，置于阻塞状态，不转发普通的数据帧。
-
根路径开销
- 根路径开销是生成树协议中用来判断到达根路径的距离参数。
通常情况下，链路的开销与物理带宽成反比。带宽越大，表明链路通过能力越强，则路径开销越小。
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桥ID作用
- 若根路径开销是相同的，这时需要桥ID来确定端口角色
- 因为桥ID是唯一的所以比较桥ID可以对多个桥到达根路径的好坏进行最终的判定
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端口ID作用
- 在跟路径的开销和上游指定桥ID相同的情况下，端口ID来决定端口角色
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端口状态
-
Down ：所有接口通电后进入下一状态
RSTP
RSTP是STP协议的优化版，不同处：在某些情况下，当一个端口被选为跟端口，RSTP为了减小端口从阻塞到转发的时延，提供了更好的用户服务。IEEE802.1中 rstp从这个三个方面实现”快速“
1、端口被选为跟端口
2、指定端口是非边缘端口
3、指定端口是边缘端口
快速的原理：
- 取消了计时器，而是在一个状态工作完成后，直接进入下一状态；
- 分段式同步，两台设备间逐级收敛；使用请求和同意标记；依赖标记位的第1和第6位
- BPDU的保活为6s；hello time 2s；
- 将端口加速（边缘接口）、上行链路加速、骨干加速集成了
- 兼容802.1d和PVST，但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位，故不能快速收敛；因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛，那么其他开启快速收敛的设备也不能快速；当tcn消息出现时，不需要等待根网桥的BPDU，就可以刷新本地的cam表；
MSTP
继承了快速生成树的基础； 将多个vlan放置于一个组内，基于每个组一棵生成树；
不同组间的BPDU中优先级= 4096倍数+组号
分组
[sw1]stp enable
[sw1]stp region-configuration
[sw1-mst-region]region-name a 所有设备应在一个域内
[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5
[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10
[sw1-mst-region]active region-configuration 激活当前配置（必须配置该指令）
若将创建某个组，但该组内的vlan，在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口；该组将没有任何信息；整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致；生成树的比较
STP可以在交换网络中形成一-棵无环路的树，解决环路故障并实现冗余备份。
RSTP在STP功能基础上，通过使根端口快速进人转发状态、采用握手机制和设置边缘端口等方法,提供了更快的收敛速度。
MSTP则可以在大规模、多VLAN环境下形成多个生成树实例，从而高效地提供多VLAN负载均衡
MSTP同时兼容STP ,RSTP. STP.RSTP两种协议报文都可以被运行MSTP的设备识别并应用于生成树计算。
另外,RSTP MSTP与STP的端口状态也有所不同，从STP的5种变成3种。
STP基本配置
//802.1D配置命令：
[sw1]stp mode stp 修改为802.1d算法，当下华为默认为MSTP；
[sw1]stp priority 4096 修改网桥优先级
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? 修改接口cost值
INTEGER<1-200000000> Port path cost
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? 修改接口优先级
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16
stp priority [4096]。注意优先级步长为：4096。配置交换机优先级
stp root primary指定根桥。原理是将交换机优先级修改成0 也可以直接通过
stp cost [1000]。华为设备端口开销为20000 修改路径开销
stp port priority [0]。注意端口优先级步长为16。修改端口优先级
display stp 查看命令：
上述小结
1、STP产生的原因是为了消除路径环路。
2、STP通过选举根桥和堵塞冗余端口来除环。
3、相对于STP、RSTP具有更快的收敛速度；
相比RSTP，MSTP可支持多生成树实例以实现基于VLAN的负载分担。