【HCIA】09.STP

STP的选举之发波原理

1. 设备启动之后，经过选举会分别显示出它们的等级（最强，次强，最弱）
2. 选出等级之后，两两设备开始互相发波，等级强的设备会将弱的设备的光顶回去
3. 此时两两设备之间的波就是单方向的，即强设备向弱设备发波
4. 发波的口被称为指定端口（DP）
5. 收波的口被称为根端口（RP），并且一个设备只有可以收波的口，因为S3有两个收波的口，但是S3上面的收到最强的波来自S1，所以6口也为根端口。
6. 剩余的4口就是阻塞端口（BP）。

STP的基本概念

802.1d,生成树协议，延迟需要到30~50s。

桥ID

桥ID（Bridge ID,BID）,决定波的强弱。每一个设备都有一个唯一的桥ID。

• IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级（Bridge Priority）（默认32768）与桥MAC地址构成。
• 优先级越小越优先，值必须是4096的倍数。
• 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。
• BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。
• 在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。

先比优先级，优先级越小越优先，如果优先级相同，则比MAC地址，MAC地址越小越优先。综上比出,BID最小的设备就是根桥。

根桥

• STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“树”（STP树）。
• 根桥是一个STP交换网络中的“树根”。
• STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的“树根”。
• 在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。
• 在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先，拥有最小优先级值的交换机会成为根桥；如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。

COST开销

• 每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。
• 接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。
• 接口带宽越大，则Cost值越小。
• 用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。
• 一般选举出根桥之后，带宽相同则比较桥ID，带宽不同则比较开销。

RPC

• 在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”，也即RPC。
• 一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。
• 从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC，并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。

Port ID

• 运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口(一般用于交换机之间两条线互联)。
• 接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号。
• 端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍
• 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。缺省情况下，端口优先级是128。
• 一般比较I的是发送方的ID。

BPDU

• 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中。
• BPDU有两种类型：配置BPDU和TCNBPDU。
• 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。
• TCNBPDU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。

配置BPDU的报文格式

配置BPDU的比较原则

对于STP而言，最重要的工作就是在交换网络中计算出一个无环拓扑。在拓扑计算的过程中，一个非常重要的内容就是配置BPDU的比较。在配置BPDU中，有四个字段非常关键，它们是“根桥ID”、“根路径开销”、“网桥ID”以及“接口ID”，这四个字段便是交换机进行配置BPDU比较的关键内容。

STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU：

1. 最小的根桥ID
2. 最小的RPC
3. 最小的网桥ID
4. 最小的接口ID

在这四条原则中（每条原则都对应配置BPDU中的相应字段），第一条原则主要用于在网络中选举根桥，后面的原则主要用于选举根接口及指定接口。

STP的计算过程

在交换网络中选举出一个根桥

• 选举过程：

• • STP交换机初始启动之后，都会认为自己是根桥，并在发送给其他交换机的BPDU中宣告自己为根桥。因此，此时BPDU中的根桥ID为各自设备的网桥ID。
  • 当交换机收到网络中其他设备发送来的BPDU后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的BID。
  • 交换机不断交互BPDU，同时对BID进行比较，最终选举一台BID最小的交换机作为根桥，其他的则为非根桥。

在每台非根桥上选举出一个根接口

• 什么是根端口？

• • 一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口”的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。
  • 在选举出根桥后，根桥仍然持续发送BPDU，而非根桥将持续不断的收到根桥发送的BPDU。因此，在所有非根桥上选举一个距离根桥“最近”的端口（根端口），在网络收敛后，根端口将不断的收到来自根桥的BPDU。
  • 即：根端口保证了交换机与根桥之间工作路径的唯一性和最优性。

• 选举过程：

1. 交换机有多个端口接入网络，各个端口都会收到BPDU报文，报文中会携带“RootID、RPC、BID、PID”等关键字段，端口会针对这些字段进行PK。
2. 首先比较根路径开销（RPC），STP协议把根路径开销作为确定根端口的重要依据。RPC值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为根端口。
3. 当RPC相同时，比较上行交换机的BID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的BID，值越小，越优选，因此交换机会选上行设备BID最小的端口作为根端口。
4. 当上行交换机BID相同时，比较上行交换机的PID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的PID，值越小，越优先，因此交换机会选上行设备PID最小的端口作为根端口。
5. 当上行交换机的PID相同时，则比较本地交换机的PID，即比较本端交换机各个端口各自的PID，值越小，越优先，因此交换机会选端口PID最小的端口作为根端口。

在每条链路上选举出一个指定接口

• 每个链路（Link）选举一个指定端口，用于向这个链路发送BPDU。
• 选举过程：
• 指定端口也是通过比较RPC来确定的，选择RPC最小的作为指定端口，如果RPC相同，则比较BID和PID。

非指定端口被阻塞

• 确定了根端口和指定端口之后，交换机上所有剩余的非根端口和非指定端口统称为预备端口，即阻塞端口。

STP的接口状态

• 侦听状态下保持15s,为了选出哪些端口为指定和根端口。选出来的端口开始进入学习状态。
• 学习状态下保持15s，开始学习MAC地址。

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STP的接口状态迁移

拓扑变化

直连链路故障

• 直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态。

非直连链路故障

• 非直连故障会导致50s左右的恢复时间。

拓扑变化导致MAC地址表错误

• 拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：

• • SW3感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCNBPDU报文。
  • SW2收到SW3发来的TCNBPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SW3，告知SW3停止发送TCNBPDU报文。
  • SW2向根桥转发TCNBPDU报文。
  • SW1把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300s修改为Forward Delay的时间（默认为15s）。
  • 最多等待15s之后，SW2中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SW2就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。