生成树协议--详解
生成树协议
一、演化
1、DEC STP,1985年DEC公司出的。
2、802.1D，1990年IEEE
3、CST（公共生成树），假设整个网络只有一条802.1D生成树。所以根只有一个，树也只有一个，从而每个VLAN都要通过相同路径，会导致次优化路径的问题。
4、PVST+（每个VLAN生成树增强），每个VLAN都有一个生成树，cisco的。
5、RSTP（快速生成树），IEEE 802.1w，能实现快速收敛，单实例。
6、MST（多生成树），将多个拥有同样数据流量需求的VLAN映射进同一个实例。16个RSTP实例。
7、PVRST+，为每一个VLAN提供一个802.1w实例。同时解决了快速收敛和次优化路径问题。
二、生成树协议基础
STP操作
1、选举1个根网桥：stp会根据一个进程选举根网桥，根网桥上所有端口都是指定端口，进行发送和就收流量及BPDU。优先级越低，越容易成为。
2、选举所有非根网桥的根端口：每个非根网桥都有一个根端口，进行发送接收流量，根端口所连路径是非根网桥到根网桥开销最小的路径。当有多跳等价路径，看端口ID（优先级+端口号）
3、选举各个网段的指定端口：每个网段都有一个指定端口，到根网桥的路径开销最低。
stp通过检查一台交换机的端口角色来判断转发数据帧的最佳路径。
二层端口状态
1、阻断blocking：丢弃数据帧，不学习地址（桥ID地址），接受BPDU配置信息，用来确定根网桥位置和根ID，和收敛后各交换机端口状态（20s）
2、侦听listening：丢弃数据帧，不学习地址，接受及发送BPDU，依此通告邻居交换机该端口会在拓扑中参与转发数据帧（15s 转发延迟）
3、学习learning：丢弃数据帧，学习地址（桥ID地址），准备参与数据帧的转发，填写CAM表，接受BPDU配置信息（15s 转发延迟）
4、转发 forwarding：发送，接受数据帧，学习地址，收发BPDU.
5、禁止disabled：丢弃数据帧，丢弃收到的BPDU转发帧，不学习地址，不接受BPDU配置帧。
每个交换机端口都有一个开销值。
三、RSTP（802.1w）
1、端口角色：原先的阻断端口分为两个
替代端口：提供去往根桥的替代端口A 一般为丢弃状态 discard
备份端口：为交换机冲充当指定交换机的那个网段提供备份链路B，一般为丢弃状态 discard
2、端口状态：
discard：相当于STP中的 blocking、listening
learning：相当于stp中的learing
forwarding：相当于stp中的forwarding
在802.1D中的stp端口状态与角色是有关系的，在RSTP来看，阻塞和侦听状态的端口没有区别，这两种状态都会丢弃数据帧，也都不会学习MAC地址。因此RSTP取消了端口角色与端口状态之间的相关性。
3、快速过渡到转发状态
协议增加两个变量：边缘端口和链路类型。
链路类型：对每个参与RSTP的端口进行归类。链路状态可自动通过端口的双工模式获取。全双工是点对点，半双工是共享端口。
边缘端口：也就是启用了portfast的端口。它和点到点链路可直接过渡到转发状态，跳过监听和学习。
在执行端口过渡而检查链路类型参数之前，RSTP必须确定端口的角色：
根端口：不使用链路类型参数。注：一旦端口接收到了根的BPDU，根端口可以快速过渡到转发状态，而非边缘指定端口进入阻塞状态。---------sync（同步）
替代和备份端口：一般不用链路状态参数。
指定端口：使用链路类型参数。只有当链路类型参数表明这是一条点到点链路时，指定端口才能过渡到转发状态。
注：当边源端口（与postfast的不同点）接收到了BPDU,它会立即失去它的边缘端口身份，成为一个普通的生成树端口，并且生成一个TCN（拓扑变更通知）。
RSTP的快速收敛原理
RSTP可以在一个交换机，或者一个交换端口，甚至一个VLAN失效时快速恢复网络的连通性。所采用的机制就是"建议－同意握手"（proposal-agreement handshake）机制。它为以下边缘端口、新的根端口，以及通过点到点链路而连接的端口提供了快速收敛：
边缘端口（Edge port）："边缘端口"是直接连接终端站点的网桥端口。如果在一个RSTP交换机上通过使用spanning-tree portfast接口配置命令把一个端口配置为边缘端口，则这个边缘端口会立即转变为转发状态。一个边缘端口同时作为一个启用了端口快速（PortFast）功能的端口，应当在它仅与单一终端站点连接时启用它。
根端口（Root Port）：如果RSTP选举一个新的根端口，它将阻塞旧的根端口，并且立即转变这个新的根端口为转发状态。
点对点链接（Point-to-point Link）：如果你通过一个点对点链路把一个端口与另一个端口连接起来，并且本地端口成为指定端口，则该端口将使用"建议－同意握手"机制与其他端口进行协商，以确保有一个可用的环路。
图9-15是一个RSTP端口角色转换示例，在图中的DP为"指定端口"，RP为"根端口"，F代表相应端口处于转发状态。
在图（1）中，Switch A是通过一个点对点链路与Switch B连接的，并且所有端口是处于阻塞状态的。假设Switch A的优先权高于Switch B，所以Switch A成为"根网桥"。Switch A先通过它的一个"指定端口"（根网桥上的端口都是"指定端口"）发送一个建议消息（一个配置有建议标记设置的BPDU）到Switch B，建议由它自己作为指定交换机。
在Switch B收到这条建议消息（Proposal Message）后，它就会选举接收这条建议消息的端口作为它的新根端口（如图（2）所示），强迫所有非边缘端口置于阻塞状态，并通过这个新的根端口发送一个同意消息（Agreement Message，一个配置有同意标记设置的BPDU），如图（2）所示。
在Switch A接收到了Switch B发来的同意消息后，立即转变连接的两个端口为转发状态。因为Switch B阻止了它上面的所有非边缘端口，在Switch A和Switch B之间就成了一条点对点链路，这样一来在网络中不会形成环路。
当Switch C再与Switch B连接时，同样会存在像Switch A与Switch B之间的握手消息交换。Switch C首先通过接收从中得来的建议消息，选举与Switch B连接的端口作为它的根端口，如图（3）所示。然后Switch C向Switch B发送一条同意消息，在Switch B收到这条同意消息后，就把连接Switch C与Switch B的这两个端口立即转变为转发状态。
在新交换机加入到这个活跃的拓扑结构中时，会重复以上的握手过程。作为网络汇聚，这个"建议－同意"握手进程是从根网桥指向生成树叶（也是生成树的最末端）的，一级级进行。
交换机从端口双工模式中学习到链路类型：一个全双工模式端口被认为具有一个点对点连接，半双工模式的端口被认为具有一个共享的连接。可以通过使用spanning-tree link-type接口配置命令进行的默认双工设置。
4、RSTP拓扑变更机制
当802.1D网桥检测到有拓扑变更，先通知根网桥，根网桥在发出的BPDU中设置TC标志（flag）转发出去。当网桥接收到带TC的BPDU，把CAM表老化时间降低到转发延迟的秒数，从而快速清除陈旧的信息。
缺点：缺乏一种反馈机制告诉网络，多少秒网络会收敛。
RSTP中，只有在非边缘端口进入转发状态的情况下才会导致拓扑变更。一般的端口阻塞不会导致相应的网桥产生 TC BPDU。
*必要情况，RSTP网桥启动TC While计时器，为非边源端口和根端口hello的2倍。是通知其他网桥拓扑发生变化所需要的时间间隔。
*RSTP网桥清除与所有非边源端口相关联的MAC地址。
*运行TC While计时器，设置了TC位的端口会发出BPDU。计时器活跃状态时，网桥会在根端口发送BPDU。
当网桥从邻居收到TC BPDU：
*网桥清除所有端口上学到的MAC地址（除接收TC BPDU的接口）
*启用TC While计时器，发送TC BPDU（指定端口和根端口）；若有老式设备还会发特定的TCN BPDU。
5、PVRST+网桥标识符
网桥都有一个ID，为BID。
802.1D，BID=网桥优先级+MAC，VLAN由CST表示。
PVST+和PVRST+要每个VLAN一个生成树实例，所以要BID承载VLAN信息。重复使用优先级字段的一部分，用其充当扩展系统ID，承载VID信息。
8字节=64bit
注：网桥优先级会从4096开始。默认32768。
6、与802.1D的兼容性。
可以兼容，只不过快速收敛就会放弃。原理：每个端口有个变量，用来定义网段所用的协议，当在两个HELLO时间内，连续收到与当前模式不相同的BPDU，它就会进入其他STP模式。
注意：在全局启用postfast只会在access生效，只有spanning-tree postfast trunk才会在trunk口生效。
三、MST（多生成树）
目的：降低与网络的物理拓扑相匹配的生成树实例的总数，进而降低交换机的CPU周期。
MST对VLAN进行分组并将其关联到生成树实例，可以在干道上组建多生成树。这种架构可以为数据流量提供多条转发路径，并且支持负载均衡功能。
MST区域：一组相互连接，具有相同MST配置的网桥。
MST扩展系统ID
show current 当前MST的配置。
show pending 详细显示尚未应用的MST配置。
四、生成树的增强
1、BPDU防护（BPDU Guard）：防止交换机意外连接到启用了postfast的端口。
2、BPDU过滤（BPDU Filter）：限制交换机不向接入端口发送不必要的BPDU.
3、根防护（Root Guard）：防止接入端口上的交换机成为根交换机。
4、环路防护：避免桥接环路的产生，提高二层网络的稳定性。
5、UDLD：检测并进制单行链路。
6、Flex链路：当一条链路转发流量，另一条处于备用模式，当主用关闭时转发流量。
BPDU防护，postfast接口收到BPDU，此特性会让这个端口进入err-disable状态。管理员只能手动去除这个状态，还可以设定时间间隔自动启动。
spanning-tree portfast edge bpduguard default
或接口下，spanning-tree bpduguard enable
根防护，强制让接口成为指定端口，进而防止周围的交换机成为根交换机。若在次端口接收到更优的BPDU，则会进入“不一致根（root-inconsistent）”的STP状态（相当于监听状态）。
环路防护，在到STP转发状态前进行额外的检查，如果交换机在启用了环路防护特性的非指定端口上不再接收到BPDU，那么交换机会使该端口进入STP“不一致环路（loop-inconsistent）”阻塞状态。当又接收到BPDU时，会自动进入STP状态。应该在根端口和替代端口上启用。全局启用，只会认为是点到点链路端口上启用。
UDLD：邻居间流量单向传输，则是单向链路。UDLD使设备能够检测出网络中何时出现单向链路，并关闭相应接口。分为普通模式和积极模式，普通：当不能从对端接受UDLD，则UDLD只将这个端口状态改为未确定；积极：未接收UDLD后，会与邻居重新建立连接，8次失败后，进入err-disable。
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