STP生成树协议

一、STP是什么

STP协议概述生成树协议(spanning tree protocol)，是一种工作在OSI网络模型中第二层(数据链路层)的通信协议，是一种由交换机运行的，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，从而避免了广播风暴，大量占用交换机的资源，

二、为什么要用STP

  为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴
以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

三、STP的作用

1.Stp通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份目的

2.消除了广播风暴

3.物理链路冗余，网络变成了层次化结构的网络

四、STP做了什么

1.选举一个根桥

2.每个非根交换机选举一个根端口

3.每个链路选举一个指定端口

4.阻塞非根，非指定端口

五、STP名词解释：

根桥：生成树里面的‘老大’，桥id最小
备份根桥：生成树里面的“二把手”，老大挂了的时候，我当老大，桥ID第二小。
非根交换机：干活的小弟，都有一个根端口
根端口：离根桥最近的端口
指定端口：根桥所有参与生成树选举的端口，都一定是指定端口
非根非指定端口：被阻塞的端口---备用链路的端口
路径开销：是端口Cost值，可以用来选择最优的路径，值越小越优。根路径开销是端口到达根桥的过程中累计的路径开销。
BID:桥ID：是由桥优先级和桥MAC地址构成，桥优先级为高16位，MAC地址是低48位。
PID:端口ID：是由端口优先级和端口号构成，端口优先级为高4位，端口号

六、选举

根桥交换机，备份根桥交换机，非根交换机根端口，指定端口，非根非指定端口（阻塞端口/预备端口）

七、STP工作流程

在交换网络中选举一个根桥

BPDU中的 桥ID来决定shi'shiyi

桥ID= 网桥优先级（0-65535公有） 默认32768 +  MAC地址（只有存在svi接口的交换机才拥有mac地址，若存在多个mac选数值最小）

根网桥的选举   先比较优先级，小优；   若优先级相同，比较mac，数值小优；

需要注意的是，根桥的地位是具有可抢占性的。

在上图网络拓扑中，在STP完成收敛后，若网络中接入了一台新的交换机，而且这台新增的交换机的优先级为4096，比现有根桥SW1的优先级更高，那么该新增的交换机将成为网络中的新根桥，与此同时，STP将重新收敛、重新计算网络拓扑，在这个过程中有可能引发网络震荡，从而对业务流量的正常转发造成影响，所以根桥角色的稳定性是十分重要的。 

在每个非根桥上选举一个根接口

    1、比较从根网桥发出后，通过该接口进入时最小的cost值；

    2、入向cost值相同，比较该接口对端设备的BID，小优BID=为桥ID

    3、对端BID也相同，比较该接口对端设备的接口的PID；先优先级小，若优先级一致，编号小

    4、连对端PID也相同，比较本地PID，小优；

选举指定端口

在每一段存在STP的物理链路上，有且仅有一个；转发来自根网桥的BPDU，同时可以转发用户流量（不阻塞）；默认根网桥上所有接口为指定端口；

    1、比较从根网桥发出后，通过该接口进入这段链路时的cost值最小（出向）

    2、若出向cost值相同，必须本地的BID，小优；

    3、本地BID相同，比较本地的PID；

    4、本地PID，相同，直接阻塞该端口；

非指定端口（阻塞端口）

当以上所有角色全部选举完成后，剩余没有任何角色的接口为非指定；

 该接口逻辑阻塞，实际可以接收到信息，但不转发；

八、端口状态

disable（端口未启用状态或初始状态，端口不处理任何数据端口状态为down）
blocking（阻塞状态，维持20秒）
listening（监听状态，参与生成树计算，接受并发送BPDU报文维持15秒）
learning（学习状态，端口不转发用户流量，学习MAC表，参与生成树计算，接受并发送BPDU报文，防止环路维持15秒）
forwarding（转发状态）

九、定时器

Hello Time:指允许STP的设备发送BPDU的时间间隔。当网络拓扑稳定之后，若要修改该定时器，只有在根桥修改才能生效。

Forward Delay: 指接口进行状态更换的延迟时间。也就是在处于Listening和Learning的持续时间，缺省值为15秒。

Max Age: 指接口的BPDU老化时间。BPDU从根桥被发出的时候，Message Age值为0，每经过一个桥设备，其值加1。当非根桥设备收到BPDU后，会比较Message Age和Max Age的大小。如果前者小于等于后者，该非根桥设备继续转发该BPDU；如果前者大于后者，该BPDU将被丢弃，此时可以认为网络直径过大，根桥连接失败。

在同一个拓扑中，Max Age是相同的，可在根桥上修改该值。

十、故障恢复时间

1. 根桥故障恢复时间是max age+2*forwading Delay=20+15*2=50s（发送TCPBDU）
2.直连链路故障回复时间是2*forwading Delay=15*2=30s
3.间接链路故障恢复时间是max age+2*forwading Delay=20+15*2=50s

十一、BPDU组成

BPDU 有两种类型：配置 BPDU 和 TCN BPDU 。
        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 。
        TCN BPDU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。

十二、STP生成树协议的版本

1.802.1D最基本的生成树协议

 缺点：收敛慢、链路利用率低

2.PVST  cisco私有     基于vlan的生成树协议

在每个vlan内，存在一棵树，每个树的工作原理同802.1d一致；不同vlan的BPDU区别在于优先级；

优先级=4096倍数+vlan id   人为仅可修改4096倍数备份，且只能修改为4096的整倍

仅支持  trunk干道封装为ISL（cisco私有封装） 

缺点：收敛慢 、树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）   

3、PVST +    

在PVST的基础，兼容802.1q的trunk封装；且设计了部分的加速；

  端口加速（进入层连接用户的接口）      上行链路加速-针对直连检测      骨干加速—针对次优BPDU

上行链路加速仅在接入层设备上配置，因为配置后，该交换机将自动加大本地的网桥优先级；

在直连检测条件下阻塞接口将跳过30s，直接进入转发状态--上行链路加速

骨干加速所有交换机均可配置，针对接收到次优BPDU的阻塞端口可以跳过20s的hold time；

缺点：收敛慢（加速不彻底） 、树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）   

4、快速生成树  

cisco的RSTP   ---    基于vlan的快速生成树  - 一个vlan一棵树    pvst+的升级

公有RSTP（802.1w） --- 整个交换网络一棵树                       802.1d的升级

快速的原理：

1. 取消了计时器，而是在一个状态工作完成后，直接进入下一状态；
2. 分段式同步，两台设备间逐级收敛；使用请求和同意标记；依赖标记位的第1和第6位
3. BPDU的保活为6s；hello time 2s；
4. 将端口加速（边缘接口）、上行链路加速、骨干加速集成了
5. 兼容802.1d和PVST，但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位，故不能快速收敛；因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛，那么其他开启快速收敛的设备也不能快速；

当tcn消息出现时，不需要等待根网桥的BPDU，就可以刷新本地的cam表；

缺点：树多

5、MSTP/MST/802.1S     

继承了快速生成树的基础；  将多个vlan放置于一个组内，基于每个组一棵生成树；