生成树协议STP

1、背景

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路（备份）。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

二层环路与三层环路

三层环路：常见根因：路由环路；解决办法：动态路由协议有一定的防环能力；IP报文头部中的TTL字段可用于防止报文被无止尽地转发。

二层环路：常见根因：网络中部署了二层冗余环境，或人为的误接线缆导致；解决办法：需借助生成树STP实现二层防环；二层帧头中并没有任何信息可用于防止数据帧被无止尽地转发。

环路产生的问题

1. 广播风暴/广播泛滥

2. MAC地址不稳定/漂移/动荡：从不同端口学到同一个MAC地址:一个MAC地址只能对应一个端口，如果在不同接口学习到同一个MAC地址，则后面学习到的接口覆盖前面学习到的。

dis mac-address   //查看mac地址表

3. 接收重复帧

• BUM帧（Broadcast，Unknown unicast，Multicast）指定广播、未知单播及组播帧。

2、生成树协议概念

STP是一个用于局域网中消除环路的协议。在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路。

交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

桥ID（Bridge ID，BID）占8字节

• IEEE 802.1D标准中规定BID由16bit的桥优先级（Bridge Priority 前4bit可以自行分配,后12bit用0 占位 因此步长是4096,即2的12次方）与48bit桥MAC地址构成。

• 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。（因为MAC唯一） 如：4096.4c1f-aabc-102a

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）。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”。STP的根桥是可以被抢占的.

• 先比较桥优先级，优先级相同，再比较桥MAC，在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。越小越优。桥优先级默认32768（华为的范围是：0-61440），步长4096（桥优先级配置时：只能是0或4096的倍数）。

开销Cost

• 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。

Cost计算方法

• 接口Cost是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值，该值存在默认值，与接口的速率有关联，并且设备使用不同的算法时，相同的接口速率对应不同的Cost值。 速率越高，开销越小。

E口：百兆 G口：千兆 开销计算模式：dot1d-1998 dot1t legacy

RPC 根路径开销（Root Path Cost）

• RPC：“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”。

• 一台设备从某个接口到达根桥的RPC=从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。

在本例中，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。

接口ID（Port ID，PID）

• 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。

• 接口ID（2字节）构成：高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号。范围：0-240，步长：16（设置ID时，必须是0或16的倍数）

• 激活STP的接口会维护一个缺省(默认)的接口优先级，在华为交换机上，该值为128(16进制0x:80)。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）

• BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。

• STP交换机之间会交互BPDU报文，这些BPDU报文携带着一些重要信息，正是基于这些信息，STP才能够顺利工作。

• BPDU类型：1、配置BPDU（Configuration BPDU） 2、TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键；TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发。

配置BPDU的报文格式

• PVI: stp-0 rstp快速生成树-2 mstp多生成树-3

• 拓扑发生变化:发TCN BPDU

• Max Age和Message Age无关

• 消息寿命，跳数 半径不超过20跳

3、STP原理

构造一个逻辑无环的拓扑结构，需要执行下面四个步骤：

1、选举一个根桥: 先比较桥优先级，优先级相同，再比较桥MAC，在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。越小越优。桥优先级默认32768（华为的范围是：0-61440），步长4096（桥优先级配置时：只能是0或4096的倍数）。

dis bridge mac-address

2、每个非根交换机选举一根端口(RP):非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销RPC、对端BID、对端PID和本端PID

• 根端口：接收最优BPDU,只可能在非根桥(非根交换机)上出现

3、每个链路选举一个指定端口(DP):根桥上的所有端口为指定端口,非根交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、BID、PID (指定端口:发送最好的BPDU)

• DP:发送最优BPDU

4、阻塞非根、非指定端口(ap):未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口,将会被阻塞

4、STP的接口状态

禁用（Disable）：该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down

阻塞（Blocking）：该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习

被阻塞的接口如果一定时间内收不到BPDU，则会自动切换到listening状态（自己变老大，转换成DP，切换到listening状态）

侦听（Listening）：当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习

学习（Learning）：当接口处于该状态时，会收发BPDU，会侦听业务数据帧（但是不能转发业务数据帧），并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习。增加Learning状态是为了防止临时环路。

转发（Forwarding）：处于该状态的接口可以收发业务数据帧，也会进行BPDU处理。接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态

• 业务数据帧：ARP、ICMP

• STP的接口状态迁移

• 阻塞状态到转发：共经过30秒 侦听状态15s,学习状态15s（在学习MAC地址）

5、拓扑变化

根桥故障恢复过程

1. 在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。

2. 如果根桥发生了故障，停止发送BPDU，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。

3. 如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。

端口状态：SW3的预备端口，20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态（15s），最终进入到Forwarding状态（15s），进行用户流量的转发。

收敛时间：根桥故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

直连链路故障恢复过程

1. 当两台交换机间用两条链路互连时，其中一条是主用链路，另一条为备用链路。

2. 当网络稳定时，交换机SWB检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会进入用户流量转发状态。

• SW2检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。

端口状态：

备用端口会从Blocking状态，迁移到Listening-Learning-Forwarding状态。

收敛时间：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

非直连链路故障后，SW3的备用端口恢复到转发状态，非直连故障会导致50s左右的恢复时间。

6、拓扑改变导致MAC地址表错误

在交换网络中，交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。

本例中，SW2中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机A，通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机B。由于SW3的根端口产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒，主机A发往主机B的帧到达SW2后，SW3会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/3转发该数据帧。

7、STP的基础配置

[Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }  //配置生成树工作模式
交换机支持STP、RSTP和MSTP三种生成树工作模式，默认情况工作在MSTP模式。

[Huawei] stp root primary   //（可选）配置当前设备为根桥
缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。
配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。

[Huawei] stp root secondary  //（可选）备份根桥
配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。
配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级。

[Huawei] stp priority priority   //（可选）配置交换机的STP优先级
缺省情况下，交换机的优先级取值是32768。

[Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }
//（可选）配置接口路径开销
配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t（dot1t）标准方法。
同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost   //设置当前接口的路径开销值

[Huawei-intf] stp priority priority  //（可选）配置接口优先级
缺省情况下，交换机接口的优先级取值是128。

[Huawei] stp enable    disable：关闭 //启用STP/RSTP/MSTP
使能交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，设备的STP/RSTP/MSTP功能处于启用状态。

display stp brief   //查看STP接口状态摘要

行为 阻塞 侦听 学习 转发 （接口状态）

发送BPDU 0 1 1 1

侦听BPDU 1 1 1 1

接收业务数据帧，MAC地址学习0 0 1 1

转发业务数据帧 0 0 0 1