生成树（STP）

                                                                                      生成树协议（STP）

一.二层环路导致的问题：

如果我们将三个交换机连接在一起，就会产生以下环路问题：

1.广播风暴

2.MAC地址表翻滚 --- MAC地址在交换机中的刷新时间为5min，一个接口可以对应多个MAC；但一台交换机上同一MAC地址只能对应一个接口；

3.同一数据帧的重复拷贝

于是就诞生了——生成树协议

概念：在一个二层交换网络，逻辑的阻塞部分接口；当最佳路径故障时，自动疏通部分接口来实现链路备份；

 

生成树工作方式：在一个二层交换网络中，生成一棵树型结构，逻辑的阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径；当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用；生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星型结构，且最短路径树；

 

二.第一种生成树协议：802.1D   一个交换网络内仅存在一棵生成树实例；

交换机间使用BPDU—桥协议数据单元 – 交换机间沟通互动收发的数据。

配置BPDU—只有根网桥可以发送，在交换网络初始状态时，所有交换机均定义本地为根网桥，进行BPDU的发送；使得网络中所有交换机均收到其他设备的BPDU，之后基于数据中的参数进行比对，选举出根网桥；之后所有非根网桥不再发送BPDU，而是仅接收和转发根网桥的BPDU；周期2s发送，hold time 20s；

TCN—拓扑变更消息（也是BPDU）： 本地交换机链路故障后，STP重新收敛，为了快速刷新全网所有交换机的MAC表，将向本地所有STP接口发送TCN（标记位中的TCN位置1），邻居交换机收到TCN后，先标记为ACK位为回复，用于可靠传输消息；之后将TCN逐级转发到根网桥处，由根网桥回复TC消息来逐级回复到所有交换机；使所有交换机临时将MAC表的老换时间修改为15s（默认的，转发延时）

 

 

选举--- 根网桥    根端口     指定端口   非指定端口（阻塞端口）

1、根网桥：在每一棵生成树实例中，有且仅有一台交换机作为根桥；负责发送BPDU，计算和指挥整个树的收敛；作为树形结构的根部，交换网络部分的中心节点；

对比BPDU中的桥ID；  桥ID= 网桥优先级 +   MAC地址（本地背板池）

交换机作为网桥设备时，关注终端设备发送的数据帧中的MAC地址；但交换机本地无MAC；

需要运行STP协议的交换机，必须在出厂时由厂家进行MAC的写入-存储于交换机的背板地址池中

若交换的背板地址池中MAC地址为多个，将选择数值最小的地址来进行选举

先比较网桥优先级（0-65535，默认32768），小优；若优先级一致，比较MAC地址，数值小优；

 

 

2、根端口：在每一台非根网桥上有且仅有一个接口；本地离根网桥最近的接口，用于接收来自根网桥的BPDU，同时转发终端的数据帧；

1）比较从根网桥发出，之后通过该接口进入时最小的cost值；

2）若入向的cost相同，比较接口对端的设备的BID，小优

3）若对端设备的BID相同，那么比较对端接口的PID；小优

4）若对端设备的PID相同，那么比较本地的PID，小优

PID=端口ID =  接口优先级（0-240，默认128 小优）+ 接口编号    先比较优先级，小优；若优先级相同比较接口编号，数值小优

 

3、指定端口：在每一段运行了STP的物理链路上有且仅有一个接口；转发来自根网桥的BPDU，同时转发终端的数据帧；根网桥上所有接口均为指定端口；根端口的对端一定为指定端口；

比较转发来自根网桥的BPDU是，出项的最小cost值

若出向cost值相同，比较本地的BID，小优

若本地的BID相同，比较本地的PID，小优

若本地PID相同，将直接阻塞该端口

 

4、非指定端口：以上所有角色选举完成后，剩余各个接口的角色；该接口处于阻塞状态；

接口阻塞是逻辑上的，并不是接口被关闭；该接口处于可以接收到数据，但不进行转发的状态；

生成树协议中的cost值如何计算的？

cost值：不同带宽 存在不同cost

802.1d标准：          802.1T标准

10M = 100             1000M= 20000

100M=19              100M=200000

1000M=4

10000M=2

>100000M=1

二.802.1D如何在华为中进行配置

[SWA]stp pathcost-standard ?    默认华为使用802.1t标准

  dot1d-1998  IEEE 802.1D-1998

  dot1t       IEEE 802.1T

  legacy      Legacy

802.1D配置命令：

[sw1]stp mode stp   修改为802.1d算法，当下华为默认为MSTP；

[sw1]stp priority 4096    修改网桥优先级

 

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ?   修改接口cost值

  INTEGER<1-200000000>  Port path cost

 

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ?  修改接口优先级

  INTEGER<0-240>  Port priority, in steps of 16

接口状态

Down ：所有接口通电后进入下一状态

侦听：交换机收发BPDU，选出所有角色；根端口、指定端口15s后进入学习状态；非指定端口进入阻塞

学习：学习终端设备发出数据帧中的源mac地址，生成交换机的MAC表（CAM表）；15s后进入转发状态

转发：根端口、指定端口可以开始转发终端的数据帧

阻塞：逻辑阻塞

 

802.1D协议的收敛时间：

1、初次收敛 30s    15s侦听+15s学习

2、结构变化

 1）存在直连检测 –本地仅存在一个阻塞端口可以接收到来自根网桥的BPDU；需要30s收敛

 2）无直连检测  --- 20s hold time等待+30s收敛=50s

 

802.1D算法的缺点：

1、收敛速度慢

2、链路利用率低 – 备份链路正常不转发数据

 

注意事项：在实际工程中，STP只要正常运算就会生成一个无环的网络结构；但角色位置不好，可能导致网络效率低下；至少应该保障根网桥的位置处于 三层架构中的汇聚层； 在交换机连接AP时，应该保障AP所在接口不被其他物理接口阻塞

由于以上原因，思科提出了一种基于802.1协议的升级版本-------PVST

二、PVST 由思科提出的设想

基于VLAN的生成树协议   依然沿用了802.1D的运算规则；

区别在于，一个VLAN中存在一棵树；

PVST  cisco私有     基于vlan的生成树协议

在每个vlan内，存在一棵树，每棵树的工作原理同802.1d一致；不同vlan的BPDU区别在于网桥优

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）

 

三、PVST +     也是思科提出的公有版本，兼容802.1q的trunk

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（接入层连接用户的接口）      上行链路加速-针对直连检测（接入层设备方可配置）      

骨干加速—针对次优BPDU 剩去20s的hold time  所有交换机均可配置

缺点：1、收敛慢（加速不彻底）     2、树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）

 

四、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；

注意事项:接口默认为半双工时，即便运行RSTP，依然基于慢速的802.1D算法来收敛；

[sw1]stp mode rstp

边缘接口---用于连接PC的接口，一旦被设定为边缘接口；将不再进行BPDU的发送，且不进行STP的收敛，直接为转发状态；  但若该接口收到了对端的BPDU，将失去边缘特性，重新正常收敛；

[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable

 

[sw1]stp priority ?  修改网桥优先级

  INTEGER<0-61440>  Bridge priority, in steps of 4096

 

[sw1]stp root ?  快速定义根网桥角色

  primary    Primary root switch

  secondary  Secondary root switch

 

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port  priority ?   修改接口优先级

  INTEGER<0-240>  Port priority, in steps of 16

 

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? 修改接口cost

  INTEGER<1-200000000>  Port path cost

五、MSTP/MST/802.1S     华为设备默认使用该协议

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；

不同组间的BPDU中优先级= 4096倍数+组号

[r1]stp mode mstp

默认存在组0，且所有vlan默认处于该组；优先级= 32768+0

分组

[sw1]stp enable

[sw1]stp region-configuration

[sw1-mst-region]region-name a    所有设备应在一个域内

[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5

[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10

[sw1-mst-region]active region-configuration     激活当前配置（必须配置该指令）

切记：若将创建某个组，但该组内的vlan，在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口；该组将没有任何信息；整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致；

定义本地为组1 的主根，组2 的备份根

stp instance 1 root primary      优先级修改为0

stp instance 2 root secondary    优先级修改为4096

 

 

[sw1]stp instance  1  priority ?

  INTEGER<0-61440>  Bridge priority, in steps of 4096

 

[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 cost ?

  INTEGER<1-200000000>  Port path cost

 

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 port priority ?

  INTEGER<0-240>  Port priority, in steps of 16