简单描述标准生成树协议STP

简单描述标准生成树协议STP

生成树协议STP

为什么需要生成树

如上图所示网络拓扑，如果没有生成树协议，在网络通信开始时，假设PC0向PC1发送一个数据包，交换机S2的MAC地址表中并没有对应的MAC地址，因此会产生ARP洪泛（详情参考交换机自学习算法那篇文章）发送广播帧，由S2的Fa0/1和Fa0/3端口向对端发出。

当S1、S3分别接收到广播帧后，根据同样原理进行广播帧转发。这时网络形成了一个环路，但交换机并不知道这将导致广播帧在环路中永远循环下去。

随着时间增加，广播帧将会越来越多，最终形成网络广播风暴导致网络瘫痪。（对于交换机的运算速度来讲，网络由正常变瘫痪过程中的时间是非常短的）

STP概念

由上述描述就可以知道，我们需要一套方案去解决这种问题，所以就有了生成树协议。

生成树协议（英语：Spanning Tree Protocol，STP），是一种工作在OSI网络模型中数据链路层的通信协议，基本应用是防止交换机冗余链路产生的环路。用于确保以太网中无环路的逻辑拓扑结构。从而避免了网络广播风暴，大量占用交换机的资源。

与图论中所指的生成树概念一致，目的就是为了破环（将环形图变成树形）。

STP会阻塞备用链路，当正常线路损坏时会启用备用链路。

交换机上默认的STP版本还有多实例生成树（MSTP）、快速生成树（RSTP）等，本文只描述标准版本。

生成树协议核心是生成树算法（Spanning Tree Algorithm，STA），下面对STA算法过程进行描述。

生成树算法STA

交换机是由网桥演变而来的，在描述生成树算法的时候也指代交换机

STA大致分为三步：

• 选举根网桥
• 选举根端口
• 选举指定端口并阻塞备用端口

选举根网桥

选举条件：网桥ID(BID)最小者当选

BID由以下两部分构成：

• 优先级
• 交换机的基本MAC地址

优先级范围为0-61440，步长4096，默认值为32768

看到这里可能会有人问，为什么步长恰好是2的12次方即4096？这并不是巧合，因为这里的步长就是VLAN号（VLAN号使用12比特）

BID的比较方法：

• 优先级取值越小，BID就越小
• 若优先级相同，则比较MAC地址，从MAC地址左侧开始比较，数值小的BID就越小

选举根端口

根端口（Root Port， RP）的选举是在非根网桥（非根交换机）上的，并且在每个交换机上只能存在一个RP。

RP用于接收根网桥发来的BPDU，也用来转发普通流量。

RP的选举首先考虑BPDU接收端口到根网桥的路径成本最小，其路径成本与链路带宽对应如下（该值不绝对，交换机上可更改）

链路带宽	成本值
4Mb/s	250
10Mb/s	100
16Mb/s	62
100Mb/s	19
1Gb/s	4
10Gb/s	2

如果存在多个端口到根网桥的成本相同时，则比较对端的BID，对端BID小的本机端口则选举为RP。

（注意BID是对端，也就是与参加选举的端口相连的其它交换机的端口，而参与选举的端口是在本交换机上）

如果对端BID也相同，则比较对端的端口ID（PID），同样对端PID小的本机端口选举为RP。

PID参数如下：

• 范围0-240
• 步长16
• 默认值128
• 端口号（如Fa0/1比Fa0/2小）

（其实还存在一种对端BID与PID都相同的情况，详细请看本文 STA举例部分->其他例子->使用集线器的情况）

选举指定端口并阻塞备用端口

在每一个网段上选出一个指定端口（Designated Port，DP）。DP用于转发根网桥发来的BPDU，也用来转发普通流量。

注意：每网段上存在且只能存在一个DP

DP的选举条件如下：

• 根网桥的所有端口都是DP
• 根端口的对端端口一定都是DP（反之不一定成立）
• BPDU转发端口到根网桥的路径成本最小
• 本端的BID最小

剩余端口成为备用端口（Alternate Port，AP），它们将被阻塞。

STA举例

主要例子

网络拓扑如下

按照上文中的步骤

首先选举根网桥

• 优先级都是32768，然后比较MAC地址，S1的MAC地址为00-01-...，比其它地址都小，所以S1是根网桥。

然后选取根端口

• 交换机S2的到S1路径上的所有链路都是1Gb/s，所以开销都是4，G0/1到S1的总开销为4，G0/2到S1的总开销为8，G0/3到S1的总开销为12，所以S2的根端口为G0/1。

• 与此同理，S3根端口为G0/1，S4的根端口的为G0/2（G0/2的对端BID比G0/1对端BID小，二者成本相同）。

• S5的根端口为Fa0/1（Fa0/1与Fa0/2的成本相同，对端BID相同，但Fa0/1对端为S4的Fa0/1，端口号小，所以PID小）。

选举指定端口并阻塞备用端口

• S1为根网桥，所以S1的G0/1与G0/2都是指定端口
• 然后按照第二个条件，所有的RP对端端口都是DP，那么选出来的有：S3的G0/3，S4的Fa0/1

• 剩下的几个网段无法根据第二个条件选出DP，然后根据第三个条件即到S1成本路径最小来选
• 首先来看S4Fa0/2-S5Fa0/2这个网段，到S4Fa0/2成本为8，到S5Fa0/2成本为27，所以S4的Fa0/2端口胜出，为该网段的DP
• 再看S2G0/2-S3G0/2这段链路，这两个端口到S1的开销相同，但是S3的BID比S2小，所以S3的G0/2为该网段下的DP
• 同理S2的G0/3也是DP
• 剩下的端口都是AP

其他例子

已知条件如下：

• 所有链路带宽都相等（也就是说链路成本值相同）
• S2 BID < S3 BID

那么下图中S4的RP如红圈所示

有一种特殊情况，使用了集线器，在S4上Fa0/1与Fa0/2链路成本相同，Fa0/3成本比前两者大，并且Fa0/1与Fa0/2对端BID与对端PID相同，此时比较的是本机端口的PID，如下图所示

结束

上述仅对STA最基本的情况进行描述分析，实际网络中的情况更复杂，例如某个网桥（交换机）突然掉线、链路损坏、生成树还未生成时交换机发生故障需重新选举等等。