STP生成树协议――算法和过程

一、STP算法
     IEEE802.1D标准定义了STP的生成树算法。该算法依赖于BID、路径开销和端口ID参数来做出决定。
     1、BID（网桥ID）：
     BID是生成树算法的第一个参数，BID决定了桥接网络的中心，称为根网桥或根交换机。

BID参数是一个8字节域。前2个字节（10进制）称为“网桥优先级”，后6个字节（16进制）是交换机的一个MAC地址。

网桥优先级用来衡量一个网桥的优先度，范围是0－65535，默认是32768。

思科交换机中的PVST+（每VLAN生成树）生成树协议使每个VLAN都有一个STP实例。

比较两个BID的大小的原则：一是网桥优先级小的BID优先，二是如果网桥优先级相同，BID中的后六个字节的MAC小的则BID优先。
     2、路径开销：
     路径开销是生成树算法的第二个参数，决定到根网桥（根交换机）的路径。
     通俗说，路径开销是用来衡量网桥之间的距离的远近的，其值是两个网桥之间某条路径上所有链路开销的总和。
     路径开销与跳数无关。
     路径开销决定到根网桥或根交换机的最佳路径，最小的路径开销是到根交换机的最佳路径。
     路径开销的值的规律：带宽越大，STP开销越小。
     3、端口ID：端口ID是生成树算法的第三个参数，也决定到根交换机的路径。它由2个字节组成，包括“端口优先级”和“端口号”，各占8位。
     端口优先级值从0－255，默认128；端口号包括256个。
     端口ID大小的判定与BID大小的判定相同。
     二、STP的过程
     1、STP判决和BPDU交换：
     当创建一个逻辑无环的拓扑时，STP总是通过发送BPDU的第二层帧来传递生成树协议，并执行相同的4步判决顺序：
     步骤1，确定根交换机；
     步骤2，计算到根交换机的最小路径开销；
     步骤3，确定最小的发送者BID；
     步骤4，确定最小的端口ID。
     网桥为每个端口存储一个其收到的最佳BPDU，当有其他的BPDU到达交换机的端口时，交换机会使用四步判决过程来判断此BPDU是否比该端口原来存储的BPDU更好，如果新收到的BPDU（或者本地生成的BPDU）更好，则替换原有值。
     当一个网桥第一次被激活时，其上所有端口每隔一个HELLO时间（默认2秒）发送一次BPDU；如果一个端口发现从其他网桥收到的BPDU比自己发送的好，则本地端口就停止发送BPDU；如果在MAX AGE（最大生存时间，默认20秒）内没有从邻居网桥收到更好的BPDU，本地端口则重新开始发送BPDU，即最大生存时间是最佳BPDU的超时时间。
     2、STP收敛的三个步骤：
     生成树算法收敛于一个无环拓扑的初始过程包含三个选举步骤：
     步骤1    选举一个根交换机。
     步骤2    选举根端口。
     步骤3    选举指定端口。
     在网络第一次“初始”时，所有网桥都洪泛混合的BPDU信息，网桥通过执行STP四步判决过程，形成整个网络或VLAN惟一的生成树。在网络稳定后，BPDU从根网桥流出，沿着无环支路到达网络中的每一个网段。网络发生变化时，生成树协议按照收敛三个步骤做出处理。
     （1）选举根交换机：
     根交换机是一个具有最小BID的网桥，它是惟一的，是通过交换BPDU选举得出来的。
BPDU的格式：BPDU是网桥之间用来交换生成树信息的特殊帧，它在网桥之间传播，包括交换机和所有配置来进行桥接的路由器，BPDU不携带终端用户流量。
BPDU包括根BID、根路径开销、发送者BID和端口ID信息。
     也就是说，交换机通过传递BPDU来发现谁是最小的BID，从而将具有最小BID的网桥做为根交换机。最初时，交换机总将自己认为是根网桥，当它发现有比自己小的BID时，就将收到的具有最小BID的交换机作为根网桥。
     （2）选举根端口：
     在根交换机选举完后，就开始选举根端口了。所谓根端口，就是按照路径开销最靠近根交换机的端口，也就是说具有最小根路径开销的端口。每一个非根交换机都必须选举一个根端口。
     （3）选举指定端口：
     通过以上两个步骤后，生成树算法还没有消除任何环路，因为还没有选举指定端口。所谓指定端口，就是连接在某个网段上的一个桥接端口，它通过该网段既向根交换机发送流量也从根交换机接收流量。桥接网络中的每个网段都必须有一个指定端口。
     指定端口也是根据最小根路径开销来决定，因此根交换机上的每个活动端口都是指定端口，因为它的每个端口都具有最小根路径开销（实际是它的根路径开销是0）。
     注意：指定端口只在中继端口（TRUNK口）起作用。接入端口在指定端口选举中不起任何作用。接入端口是用来连接到主机或者三层端口的。
     3、STP状态
     在网桥已经确定了根端口、指定端口和非指定端口后，STP就准备开始创建一个无环拓扑了。
     为创建一个无环的拓扑，STP配置根端口和指定端口转发流量，非指定端口阻塞流量。
     实际上，STP决定端口转发和阻塞看似只有这两个状态，实际上是有五种状态的。
     （1）、Disabled（为了管理目的或者因为发生故障将端口关闭）；
     （2）、Blocking（在初始启用端口之后的状态。端口不能接收或者传输数据，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU（bridge protocol da ta unit）。如果检测到有一个桥接环，或者端口失去了它的根端口或者指定端口的状态，那么就会返回到Blocking状态）；
     （3）、Listening（如果一个端口可以成为一个根端口或者指定端口，那么它就转入监听状态。此时端口不能接收或者传输数据，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和发送BPDU）；
     （4）、Learning（在Forward Delay计时时间到（默认15秒）后，端口进入学习状态，此时端口不能传输数据，但可以发送和接收BPDU，也可以学习MAC地址，并加入地址表）；
     （5）、Forwarding（在下一次转发延时计时时间到后，端口进入转发状态，此时端口能够发送和接收数据、学习MAC地址、发送和接收BPDU）。
     在这些状态过程中，会引发网络拓扑结构发生改变。此时，发生变化的交换机会在它的根端口上每隔hello time时间就发送TCN BPDU，直到上级的指定网桥邻居确认了该TCN（拓扑结构变化通知）为止。当根网桥收到后，会发送设置了TC（topology change，拓扑改变）位的BPDU，通知整个生成树拓扑结构发生了变化。这会让所有的下级交换机把它们的Address Table Aging（地址表老化）计时器从默认值（300秒）降为Fordwarding Delay（默认为15秒），从而让不活动的MAC地址比正常情况下更快地从地址表更新掉