【华为交换机】STP生成树协议端口选举详解

一、交换机转发原理

交换机内置MAC地址表，又称CAM表，别名内容可寻址存储器，交换机负责网络内（VLAN）的一股流量转发，MAC、Interface、VLAN做一个绑定。交换机自动学习，通过一个接口收到一个带有源MAC地址的帧，交换机基于接收到源MAC地址与接收接口与接口VLAN做一个绑定，故交换机接收到一个数据帧就认为发送者在此接口。

交换机接收到一股流量后泛洪称为VLAN内泛洪，所以二层交换机功能只是做VLAN内转发。

交换机数据转发三种方式：

1、贯穿式转发 ：交换机收到数据帧，只查看前6字节的DMAC地址，效率高，无法保障后字节数据正常，多用于傻瓜交换机。

2、无分片转发：交换机收到数据帧，查看前64字，后64会各种问题，存在两端双工不一致的问题，多用于华为、思科交换机存在双工模式自适应，但是不同厂商交换机连接链路协商会存在失败可能，协商失败可以手动调整链路带宽。

undo negotiation auto

speed 100

deplex full

3、存储转发：完整查看帧的所有字段，把数据帧做数据缓存，然后转发，效率最低；

二、广播风暴

为了避免网络避免单独故障，塑造健壮性，有必要设置线路冗余，但冗余线路容易造成广播风暴。

广播风暴：交换环境中，传播组播广播流量由于流量太过庞大，消耗了所有设备资源，网络故障

三、2代Ethernet 二代以太网技术

当前网络环境称之为CE经典以太网，2代以太网有思科协议Fabricpath，公有协议Trill，使交换机模拟运行基于二层的动态路由选择协议IS-IS（思科）、华为（OSPF、BGP），因为以上2个协议技术都依赖高级交换机设备，如果中低端交换机只能使用STP生成树协议。

四、STP生成树协议原理与配置

生成树协议主要用于解决冗余链路的环路、广播风暴、MAC地址表翻动切换，出现此现象的原因是带有冗余链路交换机通过STP协议计算，判断交换机哪些路径最优，堵塞冗余链路，保留最优链路转发数据，保证端到端有且只有一条可行路径，与此同时检测链路的实时状态，当路径崩溃了，当交换机崩溃了，STP协议可以立马做链路调整，恢复堵塞链路，重新建立最新的一条最优路径堵塞其他链路，从而避免广播风暴。但是STP协议降低了线路资源，STP链路切换延迟较大。

STP版本：

IEEE 802.1D STP （思科PvST） 华为、H3C、锐捷（CST）

IEEE 802.1W RSTP（思科RPvST） 华为、H3C、锐捷（RCST）

IEEE 802.1S MSTP（MST、MiST多进程生成树协议，厂商叫法一致。）

注:除了802.1S其他版本的STP思科与其他厂商均不兼容，如果不同厂商设备使用STP，建议使用版本3，所有厂商都兼容。

STP术语：

1、根桥，树根：根网桥交换机，有且只有一台，中心。

2、普通节点，非根桥：根端口，有且只有一条，最优路径。

3、BPDU：控制层面协议报文，网桥协议数据单元，实时维护路径状态，由根桥产生，组播泛洪0180.C200.0000,传递规则：发送BPDU的接口必须是指定端口，根桥所有接口都是指定端口，根桥通过指定端口发送非根桥指定端口（每台非根桥只有一个指定端口），非根桥把通过根端口收到的BPDU进行泛洪，通过所有指定端口进一步发送。

STP工作原理：

1、阻塞所有不优的冗余路径，留下无环最优路径做数据转发；

2、实时监控交换机间路径状态，当发现路径问题的时候，及时切换路径。

五、BPDU载荷

以下字段按照上图排序：

2字节： Protocol ID  ，值为0，用来描述生成树协议；

1字节： Version，值为0，802.1D的版本；

1字节： Message Type，用来描述是配置BPDU/TCN-BPDU，值为0x00代表配置BPDU，值为0X80代表TCN-BPDU；     **注：如果是TCN-BPDU到此字段就结束。**

1字节： Flags，最高为TCA位（拓扑变更确认位），最低位TC位（拓扑变更位）；0(TCA)0000000（TC）

8字节： Root ID，根桥的BID，**每台交换机都认为自己是根桥**；

4字节： Cost of path，根路径代价，描述接口去往根桥的好坏，Metric Cost 开销值，越小越好。

8字节： Bridge ID，转发者BID，当前的BPDU被谁转发走，自身的BID，Bridge ID标识的是交换机本身；

SW1是根桥，根桥通过0/0/1发送的BPDU,此BPDU的Root ID 和Bridge ID 字段都是自己；假设SW2与SW1互联的接口0/0/3为根端口，SW2根端口收到BPDU后，Cost of path字段累加接口带宽开销值，并且把Bridge ID改写成自己的Bridge ID通过0/0/2再把BPDU发送给SW3，SW3接口0/0/04收到BPDU后，Root ID是SW1的，Bridge ID是SW2的，通过此过程，SW3得知此BPDU是SW1发送SW2转发 。

2字节：Prot ID，描述启用生成树交换机接口，每个启用生成树的接口都拥有本交换机唯一的PID，第一个字节是优先级，第二个字节是接口编号，也可以比较大小，先比较优先级，谁小谁好，其次比较接口编号，谁小谁好，没经过一个交换机会改变。

2字节：Message Age，BPDU在交换机之间传递了几跳，根桥始发为0，没经过一台交换机+1，最多20跳，超过20丢包。

2字节：Max Age，如果交换机一个接口在20s时间没有收到根桥的BPDU时表示根桥连通性故障。

2字节：Hello Time，指根桥发送BPDU的频率，2s一次。

2字节：Forward delay，转发延迟，指的是生成树协议选举根端口、指定端口、非指定端口，根端口、指定端口来正常转发流量，非指定端口是堵塞状态，从确定每个端口的角色到转发数据所需要等待的时间，2倍的Forwarding 2*15=30

PS：

BPDU封装： 802.3|BPDU|FCS

BPDU类型：

1、配置BPDU，只有根桥指定端口发送，2s刷新；

2、TCN-BPDU，拓扑变更通告。

六、STP选举步骤：

1、选根桥Root Bridge：在所有交换机中选举一台树根作为中心，比较Bridge ID (BID，8字节前2个字节优先级，默认值32768，后6个字节背板的MAC地址，交换机全球唯一的标识符)，BID值越小越有可能成为根桥，先比较优先级（最小成为根桥），如果优先级一样比较后6位的MAC地址大小。

2、选根端口Root Port (RP)：根桥，去往根桥路径最优的接口，有且只有一个，每台非根桥只有一个根端口。

​ 比较非根桥所有能接收根桥BPDU接口的BPDU参数：

​ ①比较RID，最小做根端口；

​ ②比较接口收到的BPDU中Cop值和自身接口的COST值总和，谁小谁是根端口；

​ ③比较接口收到的BPDU中转发者Bridge ID，谁小谁是根端口；

​ ④比较接口收到的BPDU中PID值，比较的是接口对端交换机端口的好坏，谁小谁是根端口；

​ ⑤比较自身接口的PID，谁小谁是根端口；

3、选指定端口Designated Port (DP)

根端口对端的一定是指定端口，在交换机间链路两端选举，比较交换机间链路两端接口发送的BPDU中的参数。 注：RP对端的端口就是DP

①、先比较两台交换机的Root ID，谁小谁是指定端口。

②、比较Cop值大小，谁小谁是指定端口。

③、比较BID值，谁小谁是指定端口。

④、比较PID值，谁小谁是指定端口。

4、非指定端口

DP对端是NDP，NDP允许接收BPDU，不能发送BPDU也不能转发BPDU。

RP根端口选举请看上图图解。

5、生成树收敛

2倍的Forward Delay，保证所有交换机都能确保自己的角色，收敛延迟较高，初始收敛30s；

Bridge ID可以修改，必须是4096的倍数，默认是32768，前4Bit是优先级，后12bit扩展系统ID Extended System-ID

6、拓扑变更
1、直接拓扑变更，30s；
2、间接拓扑变更 MAX AGE 20S+30S =50S；
3、细微拓扑变更，SW连接PC的端口 down；
4、