HCIP（十） STP生成树协议

目录

（一）、STP 生成树协议

   交换机出现二层环路带来的问题：

（二）、802.1D生成树协议

(1)、配置BPDU信息：

(2)、配置TCN BPDU信息：

 STP的生成树选举：

1)， 选根网桥 --- 一棵树有且只有一个根（802.1D整个交换网络只有一棵树）

2)，根端口 --- 在每台非根交换机上，有且仅有一个；选择离根最近的接口，用来接收来自根网桥的BPDU。

3)，指定端口 --- 在每一条存在协议的链路上，有且仅有一个，用来转发来自根网桥的BPDU，不能阻塞。

4)，非指定端口 --- 剩下没有分配角色的接口均为非指定端口，非指定端口需要进行阻塞。（阻塞为物理上的阻塞，依然可以接收流量）

(三)、802.1D生成树的配置：

（四）802.1D的缺点：

  1，收敛慢    2，链路利用率低 

 （五）PVST（ 思科私有STP生成树协议） --- 基于VLAN的生成树

 （六）RSTP(802.1W）   ----- 快速生成树

（七）正对上述有以下改进点

 改进点1：变更了端口角色

 改进点2：修改了接口状态类型。

 改进点3：对配置BPDU里面的报文参数进行了修改。

 改进点4：对配置BPDU的处理

 改进点5：快速收敛机制  

 改进点6：拓扑变更机制优化

（八）交换机处于同一个域的匹配条件：

（九）链路聚合 --- 应用在以太网中的技术

（十）VRRP--- 虚拟路由冗余协议 

---

（一）、STP 生成树协议

冗余：1，线路备份  2，设备备份 3，网管备份 4，UPS备份

   交换机出现二层环路带来的问题：

 1，广播风暴：广播帧在二层环路中将形成顺时针和逆时针转动的两层环路，无线循环，最终导致设备 宕 机，网络瘫痪。

 2，MAC地址表的翻摆

 3，多帧复制

   STP 协议的主要目的是破除二层环路。   

       工作原理：   在二层交换网络中，逻辑的阻塞部分接口，实现从根交换机到所有节点唯一的路径，且为最佳路径。生成了一个没有环路的拓扑。当最佳路径故障时，个别阻塞接口打开，形成备份路径。

STP --- 是标准的STP --- 遵循的是802.1D标准。也是IEEE组织颁布的标准，一定是一个公有协议。

还有以下STP生成树协议：

      PCST,PVST+ --- 思科私有STP生成树协议

      RSTP --- 快速生成树 --- 802.1W标准

      MSTP --- 多生成树协议 --- 802.1S标准

（二）、802.1D生成树协议

    STP的数据包叫做BPDU,     B--桥，指网桥；PDU--- 协议数据单元

    BPDU 分为两种：一种叫配置BPDU,另一种叫配置 TCN BPDU。

(1)、配置BPDU信息：

工作原理： 只有根网桥可以发送，在交换网络的初始状态，所有交换机认为本地为根网桥，进行BPDU的发送，使得网络中所有交换机均接受到其他交换机的BPDU，之后将基于其中的数据参数进行比对，选举网桥。之后，所有非根网桥不再发送配置BPDU，而是仅接受和转发根网桥的BPDU，配置BPDU的发送周期为25，MAX AGE 20S。

协议版本 --- 802.1D ---- 0

                      802.1W --- RSTP --- 2

                       802.1S --- MSTP --- 3

   标志 --- 在802.1D中，8位标志只使用了最高位（TCA）和最低为（TC）。中间6位，在802.1D中保留，在802.1S和802.1W中使用。

  根网桥ID：指为根的交换机所具有的网桥ID。(802.1D协议在整个交换网络中将生成一颗生成树，即只有一个根网桥）

  网桥ID（BID）：所有的交换机都具有网桥ID来进行区分标识。

    ---BID 由两部分组成；前2个字节为优先级（优先级用来人为干涉），后面6个字节为交换机的MAC地址。

根网桥开销 --- 叫RPC ---表示转发BPDU的网桥距离根网桥的开销大小。

接口ID ---  用来标识和区分发送该BPDU接口。

 -- 2个字节，由两部分组成；前2位字节为优先级（优先级用来人为干涉），后面12位为接口编号。

消息寿命有一个最大值MAX-HOP，默认为20。

最大寿命相当于老化时间。

转发延迟 --- 指的是接口在状态切换时停留时间，默认时间为15S.

(2)、配置TCN BPDU信息：

工作原理：本地链路故障后，STP重新收敛，为了快速刷新全网所有交换机的MAC地址表。将向本地所有STP接口发送TCN BPDU。邻居交换机收到TCN后，先回复一个TCA标记位置1的配置BPDU，用于可靠传输消息；之后，将TCN BPDU逐级上报到根网桥处，由根网桥回复一个配置BPDU（将TC标记位置1），该BPDU将逐级转发至整个交换网络的所有交换机上，所有交换机收到TC标记位置1的BPDU后，将会把自己MAC地址表300S的老化时间临时修改为15S(和转发延时时间一致），用于加快失效MAC地址信息记录的刷新。

 STP的生成树选举：

   1，根网桥（RB）

   2,   根端口（RP）

   3，指定端口（DP）

   4，非指定端口（NDP）

1)， 选根网桥 --- 一棵树有且只有一个根（802.1D整个交换网络只有一棵树）

选举方法：

    比较BPDU中的BID = 优先级+ MAC地址

                                0-65535，默认值32768，优先级数值越低越好。（实际取值范围：0-61440）

                                优先级2个字节，实际优先级只使用前4位，剩下12位为扩展系统ID(zhiyouzai 802.1S中有使用，用来代表VID)。

先比较优先级，优先级越小越优。若优先级相同，则比较MAC地址，MAC地址越小越优。

2)，根端口 --- 在每台非根交换机上，有且仅有一个；选择离根最近的接口，用来接收来自根网桥的BPDU。

华为设备默认支持以上三种开销值计算标准，默认使用的是IEEE802.1T标准。

1，先比较接口收到根网桥发出的BPDU的开销值。

2，比较该接口对端设备（上级设备）BID,BID小的设备所对应的端口为根端口。

3，若对端BID相同，则比较对端的PID，小的对应的接口为根端口。

PID : 优先级 + 接口编号

          优先级占前4位，取值范围为0-240，默认是128.（修改优先级是必须按照16的倍数来修改）

 先比较优先级，优先级小的越优；如果优先级相同，则比较接口编号，接口编号越小越优。

4，若对端的PID也相同，则比较本地的PID，小的为根端口。

3)，指定端口 --- 在每一条存在协议的链路上，有且仅有一个，用来转发来自根网桥的BPDU，不能阻塞。

选择指定端口注意以下几点：（根网桥所有接口一定是指定端口）

1，先比较接口发出BPDU时的COST值，小的为指定端口。（一开始根发的cost值为0，SW2收到BPDU开销值为18）

2，若开销值（COST值）相同，则比较本地BID，BID小的交换机上接口为指定端口。

3，若本地的BID相同（在同一台交换机上），则比较接口的PID，PID小的接口为指定端口。

4，如果PID也相同，则直接将该接口堵塞。

4)，非指定端口 --- 剩下没有分配角色的接口均为非指定端口，非指定端口需要进行阻塞。（阻塞为物理上的阻塞，依然可以接收流量）

 1，禁用 ---- 1，物理接口关闭；2，接口禁用生成树协议

2，阻塞 ----- 接口激活之后进入该状态。20S时间内没有收到BPDU则进入下一个状态。

3，侦听 ---- 接口可以正常收发BPDU，但是不能接收和转发业务数据，选举时间为15S。（不允许转发业务数据是为了避免选举未完成时产生临时的环路）

      如果选举出的就角色为非指定端口，则将直接退回到阻塞状态，只有根端口和指定端口在侦听状态结束后进入下一个状态。

4，学习 ---- 可以侦听业务数据，但不会进行转发。---学习时间为 15S

               学习阶段是为了尽可能的减少未知单播帧的泛洪，导致资源浪费。

5,  转发 ----- 可以正常接收和转发数据帧和BPDU。

所以，802.1D生成树的收敛时间为：30S和50S

首次收敛时间：50S

结构变化：

1，根网桥故障：50S

2，直连链路故障：30S

3，非直连发生故障：50S

(三)、802.1D生成树的配置：

[sw1]stp mode stp ---- 修改生成树协议类型

[sw1]stp enable     ----- 开启STP功能（华为设备默认开启。可以不用执行）

[sw6]display stp      ----- 查看STP的信息 

[sw5]display stp brief  ---- 查看STP接口角色状态信息

[sw5]stp priority  28672  ----修改BID中的优先级（32768-4096=28672）

案例：

 方法一：

undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
sys 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sys sw1
[sw1]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[sw1]
[sw1]stp priority 12288  ---- 选用sw1作为root,则将它的优先级改为最小。
[sw1]display stp brief ---查看接口，6个接口全为指定接口。
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        DESI  LEARNING        NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        DESI  LEARNING        NONE
   0    GigabitEthernet0/0/3        DESI  LEARNING        NONE
   0    GigabitEthernet0/0/4        DESI  LEARNING        NONE
   0    GigabitEthernet0/0/5        DESI  LEARNING        NONE
   0    GigabitEthernet0/0/6        DESI  LEARNING        NONE
[sw1]




undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
sys 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sys sw2
[sw2]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[sw2]stp priority 16384



undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
[Huawei]sys sw3
[sw3]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[sw3]stp priority 20480



undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
sys 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sys sw4
[sw4]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[sw4]stp priority 24576


undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
sys 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sys sw5
[sw5]
Oct 21 2021 08:48:06-08:00 sw1 DS/4/DATASYNC_CFGCHANGE:OID 1.3.6.1.4.1.2011.5.25
.191.3.1 configurations have been changed. The current change number is 4, the c
hange loop count is 0, and the maximum number of records is 4095.st	
[sw5]stp mo	
[sw5]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
sys 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sys sw1
[sw1]
Oct 21 2021 08:48:06-08:00 sw1 DS/4/DATASYNC_CFGCHANGE:OID 1.3.6.1.4.1.2011.5.25
.191.3.1 configurations have been changed. The current change number is 4, the c
hange loop count is 0, and the maximum number of records is 4095.st	
[sw1]stp mo	
[sw1]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[sw5]stp priority  28672
[sw5]display stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/9        DESI  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/10       DESI  LEARNING        NONE
[sw5]



undo terminal monitor off
                              ^
Error:Too many parameters found at '^' position.
sys 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sys sw6
[sw6]stp mode stp
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
（SW6的优先级为32768，不用修改，其余均需修改，优先级大小为：SW6>SW5>SW4>SW3>SW2>SW1)

上案例接口优先级不需要更改。

 更改接口优先级配置：

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ?
  INTEGER<0-240>  Port priority, in steps of 16

查看配置的STP生成树：（ALTE---阻塞         DEST---指定      ROOT)

 ~~

方法二：

[sw1]stp root primary     --- 将该网桥设置为根网桥，其实质是将该网桥

的优先级修改为0

[sw2]stp root secondary      --- 将该网桥设置为备份根网桥，其实质是

将该网桥的优先级修改为4096

 

此上命令相当于把优先级改为0, 则sw1为root（主根）。

此上命令相当于把优先级改为4096，优先级第二小（备份根）。

       ----一般主根和备份根都放在汇聚层。

（四）802.1D的缺点：

  1，收敛慢    2，链路利用率低 

 （五）PVST（ 思科私有STP生成树协议） --- 基于VLAN的生成树

    PVST只是提供了链路利用率低的一个解决思路。但他的本身也并不彻低，因为一个VLAN一棵树，如果整个网络中VLAN数量过大时，将导致BPDU泛洪的流量过大。

 （六）RSTP(802.1W）   ----- 快速生成树

    主要解决的是802.1D生成树收敛速度慢的问题。但是依然是一个网络一棵树，并且可以向下兼容802.1D的协议。

（七）正对上述有以下改进点

 改进点1：变更了端口角色

     802.1D：根端口，指定端口，非指定端口

     802.1W:  根端口，指定端口，替代（Alternate)端口。备份（backup)端口。

          替代端口：用来替代根端口，相当于是根端口的备份。

   由于学到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口，他提供了从指定网桥到根的另一条路径。当根端口失效时，则最优的替代端口将立即称为根端口，并进入转发状态。

          备份端口：相当于指定端口的备份。

  由于学到自己发送的配置BPDU而阻塞的端口，它作为指定端口的备份，当指定端口失效时，将直接称为指定端口，并且直接进入转发状态。

改进点2：修改了接口状态类型。

802.1D:  5种  ---- 禁用，阻塞，侦听，学习，转发

802.1W： 3种  --- DISCARDING（丢弃），学习，转发

    丢弃   ---- 不转发用户流量也不学习MAC地址。

    学习  ---- 不转发用户流量，但可以学习MAC地址。

    转发 ----- 即可以转发用户流量，也可以学习MAC地址。

 改进点3：对配置BPDU里面的报文参数进行了修改。

 P/A机制

   RSTP的P/A机制主要来保证一个指定接口的以从丢弃状态快速进入转发状态，从而加速了生成树的收敛。

  在P/A机制中，存在一个“同步状态”，实际上就是将其他接口全部进行堵塞，防止环路的产生。

改进点4：对配置BPDU的处理

1，在拓扑收敛完成后：

802.1D：只有根网桥每隔2S发送一个配置BPDU,其他非根网桥只有收到根网桥的BPDU后才会进行转发。

802.1W:拓扑稳定后，非根网桥将自主的每隔2S发送根的BPDU。

2，更短的BPDU超时时间：

802.1D:需要等待20S(MAX AGE)

802.1W:仅需等待三个周期 --- 6S ---- 超时时间

改进点5：快速收敛机制  

1，根端口和指定端口的快速切换 --- 利用了替代端口和备份端口这 两个角色

2，可以设置边缘接口 --- 指的是交换设备连接终端的接口，因为连 接终端设备不会出现环路，所

以，我们可以手工将这些端口设置为边 缘接口，边缘接口将直接进入转发状态。

[sw5-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable ---- 将接口配置为边缘接口

边缘接口配置完成后，他依然会周期转发根网桥的BPDU给终端设备， 这样做会消耗链路资源，所

以，可以在接口上配置bpdu的过滤，减少 资源占用

[sw5-GigabitEthernet0/0/1]stp bpdu-filter enable ---- BPDU 过滤

注意：边缘接口可能会因为人为失误，接入到交换设备上，就有可能 出现环路。所以，边缘接口

存在保护机制，即当一个边缘接口收到了 交换设备发送的BPDU时，该接口会立即将自己切换为一

个普通接口。

3，P/A机制

 改进点6：拓扑变更机制优化

802.1S --- 又叫MSTP，是多生成树协议。

instance ----实例 ---- 就是一个或多个VLAN的集合

我们可以使用instance ID来区分不同的实例。一个实例创建一棵树。

instance ID ---- 由12位2进制构成，0-4094

instance 0 默认存在，且所有VLAN都默认属于instance 0

MSTP中存在一个域（region)的概念，相当于OSPF中区域（area)的概念，我们可以将一个较大的交换网络划分为多个MST域，当然，如果网络规模较小，也可以划分到一个MST域当中。

（八）交换机处于同一个域的匹配条件：

1，相同的域名（region name)

2，相同的修订级别(revision level)

3，相同的VLAN和instance的映射关系

需求：交换网络存在VLAN 1 -VLAN10,要求 VLAN 1 -VLAN5使用SW1为根创建生成树，VLAN 6 -VLAN10 以SW2为根创建生成树。

1，配置VLAN

2。启动MSTP

[sw1]stp mode mstp ---- 将STP的模式修改为MSTP（华为默认使 用的就是MSTP，所以，这

个命令可以不敲）

[sw1]stp enable --- 默认开启

3，配置MST域

[sw1]display stp region-configuration --- 查看当前MST域的配置

Region name 默认情况下为交换机的管理接口的MAC地址

[sw1]stp region-configuration --- 进入MST域配置视图

[sw1-mst-region]

[sw1-mst-region]region-name aa ---- 修改MST域名称，所有域 中的交换机必须相同

[sw1-mst-region]revision-level 1 --- 修改修订等级，默认都为0

[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5 --- 将vlan1 到 vlan 5放入实例1

[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10 --- 将vlan 6 到 vlan 10放入实例2

[sw1-mst-region]active region-configuration --- 激活配置，必 须得敲，不做则之前的配置无效

4，修改优先级

[sw2]stp instance 1 root secondary

[sw2]stp instance 2 root primary

（九）链路聚合 --- 应用在以太网中的技术

  将N条物理链路聚合为一条逻辑链路。我们把逻辑链路称为聚合链路（eth-trunk),将其中每一条物理链路称为成员链路。我们将聚合后得到的逻辑端口称为聚合端口（etn-trunk端口），聚合端口中的物理接口称为成员端口。

  要求：1，通道的对端必须是同一台设备

2，成员端口应该具有相同的速率，双工模式，相同的类型，相同的VLAN允许列表。 

1，创建聚合接口

  [sw2]interface Eth-Trunk 0

2，将物理接口划入聚合接口

[sw2-Eth-Trunk0]trunkport GigabitEthernet 0/0/1 0/0/2 划入方法：也可以在物理接口中执行

[sw2-GigabitEthernet0/0/1]eth-trunk 0

          配置聚合链路的双方设备必须配置相同的eth-trunk，在进行端口聚合之前，所有端口上的配置必须删除，当聚合接口配置好之后，所有接口配置只能在聚合接口中配，不能在物理接口上配。

[r1-Eth-Trunk0]undo portswitch --- 将一个二层接口改为三层口

（十）VRRP--- 虚拟路由冗余协议 

 目前主要使用两个版本，一个VRRP V2 ---- 主要应用在IPV4领域

                                        一个 VRRP V3 ---- 主要应用在IPV6领域

            VRRP存在一个组的概念，可以将需要协同的路由器放入同一个组，配置相同的VRID（8位二进制构成）（ 区分不同的组）。一个组中存在一个虚拟的网关路由器，这个网关需要配置一个虚拟ip地址（这个地址是需要指定的，而且必须和真实网关IP在同一个广播域），并且会产生一个虚拟的MAC地址 --- 0000 - 5e00 - 01XX(XX就是VRID)。

              一旦接口配置激活了VRRP，开始时，所有网关接口都将发送VRRP协议报文，进行主从选举。（先比较优先级（默认优先级为100.取值范围0-255）优先级大的为主。优先级相同则比较IP地址，IP地址大的为主）。选举结束后，之后仅master周期性的发送VRRP协议报文（周期为1S），Backup 网关仅侦听，如果master3.6S未发送VRRP协议报文，则重新进行选举。

VRRP默认开启抢占模式，抢占模式只看优先级。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 10 virtual-ip 192.168.1.254 ---- 配置VRRP，分组和虚拟IP地址

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 10 priority 110 --- 修改 优先级

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 10 track interface GigabitEthernet 0/0/1 --- 上行链路监控（默认优先级减10）

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 10 track interface GigabitEthernet 0/0/1 reduced 50 --- 在上行链路故障时将优先级降 低50