三、生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）

• 生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）
  • STP
    • 为什么需要生成树
      • 冗余/备份是必须的，环路不可避免
    • 环路危害
      • 广播风暴
      • MAC地址学习错误/震荡/漂移 无法通信/重复数据帧接收
    • 什么是生成树STP
      • 在二层网路中，有选择性地阻塞环路中的某个接口来消除二层环路，·形成树状拓扑，避免了环路，同时还具备链路备份的功能， 当活动链路发生故障时，STP可以激活冗余链路，恢复网络的连通性。
    • 生成树类型
      • STP 广义上指所有生成树，狭义上指的是生成树的802.1D协议（STP）
      • STP 802.1D
      • RSTP 802.1W
      • MSTP 802.1S
      • PVST+ —>STP的改进 思科私有
      • Rapid PVST+ —>RSTP的改进 思科私有
    • BPDU Bridge Protocol Data Unit 桥协议数据单元
      • Root ID(根桥ID)
        • 由根网桥的优先级和48位的mac地址组成，优先级可人工配置，取值范围0-65535，缺省值为32768，优先级为4096的倍数，所以取值范围为0-61440，数值越小越优先
        • 交换机刚启动的时候Root ID=Bridge ID
      • Root Path Cost（RPC）根路径开销
        • 从发送网桥到根网桥的路径开销，即最短链路上所有开销的代数和
        • 端口的开销值和端口的带宽有关，带宽越高，花销越小
        • stp cost cost命令取决于路径开销计算方法：
        • 1. 使用华为的私有计算方法时， cost取值范围是1～200000。
        • 2. 使用IEEE 802.1d标准方法时， cost取值范围是1～65535。
        • 3. 使用IEEE 802.1t标准方法时， cost取值范围是1～200000000。
        • 华为设备默认使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销
          • 10M—2000000
          • 100M-200000
          • 1000M-20000
          • 10G-2000
        • 思科默认 802.1d标准
          • 10M—100
          • 100M-19
          • 1000M-4
          • 10G-2
        • stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }命令用来配置指定交换机上路径开销值的标准。
      • Bridge ID（BID）桥ID
        • 由网桥的优先级和48位的mac地址组成，优先级可人工配置，取值范围0-65535，缺省值为32768，优先级为4096的倍数，数值越小越优先
      • Port ID（PID）端口ID
      • 生成树的选举过程就是比较BPDU的优劣过程,数值越小越优
      • BPDU比较原则
        • 1、Root ID最小的为根桥
        • 2、如果Root ID一致，比较Root Path cost，值越小表示到根桥距离越近，根路径花销越小越优
        • 3、如果RID/Path Cost相同，比较Bridge ID，越小越优
        • 4、如果RID/Path Cost/Bridge ID相同，那么Port ID越小越优
      • BPDU在STP模式的类型
        • 配置BPDU 网络正常运行的时候
        • TCN 拓扑变化的时候发送BPDU
    • BPDU报文

      • 

      • 
        BPDU字段包含的信息：
        Protocol ID 　　协议ID
        Version　　　　STP版本（三种）
        STP（802.1D）传统生成树 值为0 RSTP（802.1W）快速生成树 值为2 MSTP（802.1S）多生成树 值为3
        Message Type 消息类型（常见的两种）
        配置BPDU：负责建立，维护STP拓扑 TCN BPDU：传达拓扑变更　　　　　　
        Root ID　　　　根桥ID
        Cost of Path　 路径开销
        Bridge ID　　 桥ID
        Port ID　　　　 端口ID
        Message Age 当前消息年龄（STP每经过一台交换机，该字段+1，同步不同位置的设备根桥超时）
        Max Age 最大消息年龄（超过则代表根桥故障）
        Hello Time　　 问候时间（根桥通过不断发送STP维持自己的地位，Hello time 是发送的间隔时间）
        Forward Delay 端口从listening -> learning 或 learning -> forwarding 的转态需要时间
    • 生成树计算原理/选举原则
      • 根桥（Root） Root ID最小
      • 根端口RP（Root port）
        • 每个非根桥上选举一个根端口
        • 非根交换机去往根桥路径最优的端口
        • 一个运行生成树协议的交换机上最多只有一个根端口，根桥没有根端口
        • 比较交换机上所有接口收到的BPDU，RPC(小)—>BID(小)—>PID（小）
      • 指定端口DP（Design port）
        • 每个交换网段选举一个指定端口，每个网段有且只能有一个指定端口
        • 一般情况下， 根桥的每个端口都是指定端口。
        • 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口
        • 发出去的BPDU和对端发送的BPDU进行比较，发出去的优，表示此接口为DP，否则对端DP
      • 预备端口/阻塞端口AP(Alternater port
        • 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。
    • 生成树端口角色.
      • 根端口 Root port ：RP
      • 指定端口 designated port DP
      • 预备端口 Alternate / Blocking port
    • STP端口状态
      • 1.Disabled：禁用状态，不参与生成树计算，不发送任何报文，端口处于down状态
      • 2.Blocking（Discarding）：阻塞状态,参与生成树计算，不接收或转发数据，接收但不发送BPDU，不进行MAC地址学习
      • 3.Listening：监听状态，不接收或转发数据，接收并发送BPDU，不进行MAC地址学习(在选举根桥、根端口、指定端口)
      • 4.Learning：学习状态，不接收或转发数据，接收并发送BPDU，开始MAC地址学习，在learning状态学习MAC，可以避免forwarding状态的时候由于未知单播而泛洪。
      • 5.Forwarding：接收并转发数据，接收并发送BPDU，进行MAC地址学习
      • 由于在网络中网络拓扑消息的传播需要一定时间的延时，为了避免在网络中产生临时环路，生成树协议规定不能从Blocking状态直接过渡到Forwarding，人工引入了两个状态 Listening、Learning
      • 从Listening状态到learning状态需要一个Forward delay=15s
      • 从Learning状态到Forwarding状态也需要一个Forward delay=15s
    • BPDU的定时器
      • BPDU报文中后四个值时定时器的值
      • 1、Hello Timer：根桥生成BPDU配置消息的周期，默认值为2秒
      • 2、Forward Delay：配置消息传播到全网的最大时延，默认为15秒
      • 3、Message Age：从根桥生成BPDU配置消息开始，到当前时间为止配置消息的存活时间
      • 4、Max Message Age:BPDU配置消息存活的最大时间，默认时间为20秒
    • STP拓扑变更收敛时间
      • 当拓扑发生变更以后，网络恢复到正常转发状态需要的时间 30-50s
      • STP:当网络拓扑发生变化时，下游交换机不断发送TCN BPDU报文给上游交换机， 上游设备接收到
      • TCN BPDU报文后发送TCA报文 ，表示确认，下游停止发送TCN。直到根交换机接收到TCN BPDU报文
      • 向全网发送TC BPDU ，收到TC BPDU的交换机如果MAC老化时间大于15s,将MAC地址表老化时间设为15s 。（华为收到TC 置位的BPDU直接删除MAC地址表）
      • 配置命令
        • 华为
          • stp enable//生成树开启，默认生成树已经开启
          • stp mode stp/RSTP/MSTP //修改生成树的模式,默认MSTP
          • stp priority X //修改根桥优先级，4096的倍数
          • [SW1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost X
          • [SW1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority X //16的倍数
        • 思科配置
          • 默认生成树开启，模式是PVST+（per vlan STP）
          • spanning mode X ///修改生成树的模式
          • spanning-tree vlan 10 priority //修改根桥的优先级，4096的倍数
          • spanning-tree vlan 10 cost X//修改花销值
          • spanning-tree vlan 10 port-priority X//修改接口的优先级，16的倍数
      • 查看命令
        • 华为
          • display bridge mac-address //查看交换机MAC
          • display stp brief//查看生成树角色，状态
          • dis stp //查看生成树详细信息
        • 思科
          • show spanning brief
          • show mac-add //查看交换机MAC
  • RSTP
    • STP不足 收敛很慢：30s-50s
    • RSTP改进
      • 端口角色
        • 预备端口AP：根端口的备份
        • 备份端口BP：DP口的备份
        • 边缘端口：交换机下接PC机
      • 端口状态 变成三种 discarding、Learning、forwarding
      • P/A机制
        • Proposal/Agreement机制，其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。
        • 指定端口通过与相连的网桥进行一次握手，快速进入转发状态。
        • P/A机制要求两台交换设备之间链路必须是点对点的全双工模式。
      • 拓扑变更优化
        • STP:当网络拓扑发生变化时，下游交换机不断发送TCN BPDU报文给上游交换机， 上游设备接收到TCN BPDU报文后发送TCA报文 ，表示确认，下游停止发送TCN。直到根交换机接收到TCN BPDU报文向全网发送TC BPDU ，收到TC BPDU的交换机如果MAC老化时间大于15s,将MAC地址表老化时间设为15s 。（华为收到TC 置位的BPDU直接删除MAC地址表）
        • TCN BPDU报文：用来向上游设备乃至根桥通知拓扑变化。上游设备指定接口处理此报文
        • TCA：是上游设备用来告知下游设备已经知道拓扑变化，通知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
        • TC标记的配置BPDU报文主要是上游设备用来告知下游设备拓扑发生变化，请下游设备直接删除桥MAC地址表项，从而达到快速收敛的目的。
        • RSTP：当拓扑发生变更，变更点都可以发送TC报文，收到TC报文MAC地址清空。STP是Root才发TC报文。
    • RSTP保护机制
      • BPDU保护（思科：BPDU Guard）
        • 华为配置
          • system-view
          • stp bpdu-protection
          • Error-down auto-recoverycause bpdu-protection interval 30 //error-down接口
          • 自动恢复，否则就是手动undo shutdown
        • 思科配置
          • （1）全局（作用范围是PortFast的端口，就是在配置了PortFast后再在全局下配置BPDU Guard才会生效）：
            • switch（config）#spanning-tree portfast bpduguard default
          • （2）接口下启动（无需在这个接口下配置PortFast），则无论是正常端口还是portfast端口，到BPDU后都会变成errodisable。接口下配置：
            • Switch(config-if)#spanning-tree bpduguard ?
            • disable Disable BPDU guard for this interface
            • enable Enable BPDU guard for this interface
          • errdisable recovery cause all
          • errdisable recovery interval 30errordisable接口自动恢复，否则就是手动
          • shutdown/no shutdown
      • BPDU Filter
        • 应用场景
          对于运行生成树协议的网络，当通过命令stp edged-port enable将当前端口配置成边
          缘端口，该端口便不再参与生成树计算，从而帮助加快网络拓扑的收敛时间以及加强
          网络的稳定性。可是端口仍然会发送BPDU报文，这可能导致BPDU报文发送到其他网
          络，引起其他网络产生震荡。
          通过在该端口上配置命令stp bpdu-filter enable便可解决此问题。在网络边缘设备
          上配置该命令，使边缘端口不处理、不发送BPDU报文，该端口即为BPDU filter端口。
        • 华为
          • 接口配置
            • 接口下启用BPDU Filter特性，此接口会忽略收到的BPDU数据报文，也不会发送任何BPDU数据报文。（但是抓包的时候可以收到，即设备不会处理此数据报文））
            • [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp bpdu-filter enable
          • 全局配置
            • 全局启用BPDU Filter特性，作用于配置了edged port的接口，如果此接口收到了BPDU，那么此edged port将处于error-down
            • [Huawei]stp bpdu-filter default
        • 思科
          • 接口配置
            • 接口下启用BPDU Filter特性，此接口会忽略收到的BPDU数据报文，也不会发送任何BPDU数据报文。
            • Switch(config-if)#spanning-tree bpdufiter enable
          • 全局配置
            • 全局启用BPDU Filter特性，作用于配置了Portfast但没有单独配置BPDU Filter特性的接口，如果此接口收到了BPDU，那么它们不在处于Portfast状态，BPDU Filter特性也会被禁用，接口恢复生成树计算。
            • Switch（config）#spanning-tree portfast bpdufiter default
        • 若同时配置了BPDU Guard和BPDU Filter，则BPDU Filter生效
      • 根桥保护
        • 华为配置
          • Interface G0/0/0 //指定端口配置
          • stp root-protection
        • 思科配置
          • Switch(config-if)#spanning-tree guard root
      • TC-BPDU泛洪保护
        • System-view
        • stp tc-protection
        • stp tc-protection threshold 6
    • RSTP配置
      • 
        stp enable
        Stp mode rstp //设置生成树模式，思科spanning-tree mode rstp
        stp bpdu-protection
        interface GigabitEthernet0/0/3
        stp edged-port enable
        interface GigabitEthernet0/0/4
        stp edged-port enable //设置边缘端口，思科spanning-tree portfast
      • stp root primary //设置设备成为主根
      • 思科查看：
        • show spanning summary
        • show spanning ？
  • MSTP
    • RSTP不足 无法分流，所有vlan一棵树
    • 相同MST域的条件
      • 都启动了MSTP。
      • 具有相同的域名。
      • 具有相同的VLAN到生成树实例映射配置。
      • 具有相同的MSTP修订级别配置
    • 配置
      • 华为：
        stp enable // 默认开启
        stp mode mstp //默认生成树模式
        stp region-configuration
        region-name hcip
        instance 10 vlan 10
        instance 20 vlan 20
        active region-configuration
        stp instance 10 priority 0
        stp instance 20 priority 4096
      • 思科：
        config)#spanning-tree mode mst //启用MST,默认为PVST+
        (config)#spanning-tree mst configuration //进入MST配置模式
        (config-mst)#name ccnp //实例Name
        (config-mst)#instance 10 vlan 10
        (config-mst)#instance 20 vlan 20
        (config)#spanning-tree mst 10 port-priority 0
        或者
        (config)#spanning-tree mst 10 root primary
        (config)#spanning-tree mst 20 root secondary
        
        stp instance 1 cost 20000 #设置实例开销