stp学习笔记

STP(Spanning Tree Protocol) (IEEE 802.1D) 生成树协议

・在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障，所谓单点失效，指的是由于网络中某一台设备的故障，而影响整个网络的通信。为了避免单点失效，提高网络的可靠性，可以通过构建一个冗余拓扑来解决。但是，一个冗余的拓扑，又会给我们的网络造成环路，而产生其它的影响。为了解决二层环路问题，而设计了SPT协议。

・当2个Segment之间，只有一个物理设备连接时，就有可能“单点失效”。

・Segment:(段的概念)
　　1.STP：一段网络介质(网线/光纤)。
　　2.数据封装：携带4层报头的用户数据。
　　3.路由：一个逻辑子网。

・避免单点失效的方法就是构造冗余网络。

・但冗余网络会导致新的问题：
　1.多帧复制
　2.MAC地址表的翻动
　3.广播风暴

・STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
　STP通过判断网络中存在环路的地方，并阻断冗余链路来实现无环网络。

・STP采用STA（Spanning Tree Arithmetic）算法。
　STA会在冗余链路中选择一个参考点（生成树的根），将选择到达要的单条路径，同时阻断其他冗余路径。一旦已选路径失效，将启用其他路径。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit)

・STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的，BPDU是直接封装在以太网帧中的。

・对于参与STP的所有SW，它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息，这种消息就被称为BPDU。

・BPDU是直接封装在二层的协议，其MAC地址最后封装数为：00。（01:80:c2:00:00:00）

・BPDU的功能：
　1.选举根桥
　2.确定冗余路径的位置
　3.通过阻塞特定端口来避免环路
　4.通告网络的拓扑变更
　5.监控生成树的状态

・BPDU每2S由根桥发送一次。
　最初的网络，每个SW都认为自己是根桥，都会发送BPDU，比较Lowest BID，选举出一个根桥，此时就只有根桥发送BPDU。非根桥只进行转发。

BPDU分两种类型：
1、配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出，包括了STP参数，用于进行各种选举。
2、TCN（topology change notification 拓扑变更通告）BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。

・TCN（Topology Change Notification) BPDU
　这种BPDU是SW检测到拓扑变更时产生的。只包含下列三个字段

・Protocol ID : 0
　Version : 802.1D (0)
  Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)

＜STP的4大工作流程＞（STP里选举参数都是越小越优）

One root bridge per network（每个网络只有一个根桥）

・根桥的选举：Lowest BID （最小的BID）

・STP为每台SW分配唯一的一个标识符，称为BID（Bridge ID）。
　BID的组成：2（Bridge Priority优先级）＋6（MAC）＝8 Bytes
　默认Priority：32768（0x8000）
  2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号，因为CISCO默认启用PVST
  每个交换机都有一个基准的MAC地址，用下面的命令可以看到
  Sw2#show version
　Base ethernet MAC Address: 00:0D:28:61:35:00
  交换机的每一个端口都有一个MAC地址，就是以Base（基准） MAC地址加上端口号得到的。
  Show interface f0/1   这一命令可以看到交换机端口的MAC地址

查看STP信息--
Sw2#show spanning-tree
Sw3# show spanning-tree brief(低版本用)2900以下的交换机用这一命令

・PVST(Per Vlan Stp)
　Cisco SW 默认为每个VLAN生成一个STP，互不影响。

・建议将性能最好的SW设成根桥

Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 root primary （24576=0x6000) (建立优先级，成为根桥)
Sw2(config)#spanning-tree vlan 1-10 root secondary (28672=0x7000) (备份根桥，防止优先级根桥showdown了)
Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 priority 4096　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（设置必须是4096的倍数）

One root port per nonroot bridge（每个非根桥都要选出一个根端口）

・根端口（RP）：每个非根桥有且只有一个根端口

选举RP/DP的方法：
1.Lowest RID(最小的RID)  是SW1（根桥）的BID
2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
3.lowest sender BID (最小的发送BID)
4.Lowest sender port ID  当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选

・Path Cost:根桥发出的COST值是0，在下一交换机的入口处才加上COST值，出口处COST值不变。
　10Mbps：100/　100Mbps：19/　1Gbps：4/　10Gbps：2

Sw1#show interfaces status
Sw1#show spanning-tree

Sw1(config-if)#spanning-tree (vlan 1) cost 22 每个VLAN都能生成一个自已的生成树，通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根端口，产生不同的生成树，充分利用了链路
Sw1(config-if)#spanning-tree cost 22   修改所有Vlan的Cost值

Port ID是由优先级+端口号组成
修改端口优先级：默认情况下是128
Sw1(config-if)#spanning-tree port-priority 16  注意：必须是16的倍数才行

One designated port per segment（每个Segment只有一个指定端口）
  
选举RP/DP的方法：
1.Lowest RID(最小的RID)  是SW1（根桥）的BID
2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
3.lowest  BID (最小的发送BID)
4.Lowest  port ID

・根桥的所有端口都是指定端口（DP）。

Nondesignated ports are blocked（非指定端口将被堵塞）

・最后，既不是根端口，又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口，这些端口将被block掉。从而达到防环的目的。

＜非根桥有多条冗余链路连接到根桥＞

・根端口（RP）：Lowest path cost to root bridge　（＝）
　　　　　　　　Lowest sender BID　（＝）
　　　　　　　　Lowest sender port ID
入口+cost值=发出数值（如19口+8口=27口指交换机）
・端口ID（PID）：
　1（Pri）+ 1（Port Num） =　2 Bytes
　128.24（默认priority=128）

Sw1(config-if)#spanning-tree (vlan 1) port-priority 16  修改端口优先级
                                 （必须是16的倍数）
　要在发送方改。

生成树端口状态：
1、blocking--阻塞状态，不转发帧，监听流入的BPDU，不学习MAC地址
2、listening--监听状态，不转发帧，不学习MAC地址，能够决定端口角色
3、learning--学习状态，不转发帧，能学习MAC地址
4、forwarding--转发状态，能够进行正常的帧转发

当拓扑发生变化时，端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S
如果是直连接口down掉，端口状态过渡最大需要30S
如果是非直连故障，最大需要50S

＜BPDU　Timer＞

三个计时器：
・Message Age：最大存活时间（20S）
　Hello Time:根桥连续发送BPDU的间隔（2S）
　Forward Time:SW在监听和学习状态所停留的时间（15S）

spanning-tree vlan 1-10 hello-time 3   修改发送BPDU的时间间隔
spanning-tree vlan 1-10 forward-time 13   修改forward时间
spanning-tree vlan 1-10 max-age 33    修改最大存活时间

注意：必须在根桥上修改，否则不起作用。
1．老化时间（blocking）（loss of BPDU detected）max age=20s
2. 监听时间（listening）forward delay=15s
3．学习时间（learning）forward delay=15s

　　　　　　监听BPDU　学习MAC　帧转发
Blocking　　　√　　　　×　　　×
Listening　　 √　　　　×　　　×（选举Root/RP/DP）
Learning　　　√　　　　√　　　×
Forwarding　　√　　　　√　　　√

＜STP Topology Change＞

・当发生如下事件时，SW会发送TCN：
　1.链路故障（FWD -> BLK）
　2.端口进入转发状态，并且SW已经拥有DP
　3.非根桥从它的DP接收到TCN，并将其转发
 
TCN BPDU只包含三个字段：protocol id,version,message,也就是BPDU的前三个字段

　Flags:
 　TC（Topology Change) TC置位的BPDU只会由Root产生
　 TCA (Topology Change Acknowledge) 

根桥所做的工作：
1.收敛现在的网络；
2．Aging-time:将MAC地址表的老化时间直接变成Forward delay time

注意：在网络拓朴发生改变后，不仅会有STP的收敛，还会导致二层MAC地址表的收敛。

＜STP和802.1Q＞

・CISCO交换机上，在采用802.1Q的Trunk中，SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
　（PVST）
　
・对于不支持802.1Q的SW，所有VLAN维护一个STP。(SSTP)

・在交换网络中，STP是始终运行的，如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。

Per VLAN Spanning Tree
优点：1.基于Vlan的负载均衡；
缺点：1.BPDU是基于Vlan 的基础上运行的；

＜STP的一些增强特性＞

・802.1D STP设计初衷：网络中断后能够在1分钟之内(Max=50S)恢复。
　伴随着LAN出现3层交换，很多的路由协议（OSPF/EIGRP）都能在几秒之内收敛。

・Cisco为加快收敛时间，提出了一些私有特性：
　PortFast/UpLinkFast/BackboneFast

・PortFast：　
　能够将2层的接入端口(接host)跳过LIS/LRN立即进入FWD。30S->0S
　基于接口，用于接非交换机接口，不要设置在接SW的端口。

Sw1#show spanning-tree
　Type: Edge [Shr/P2p]

测试：把交换机的端口shut down，再no shut down,观察状态。启用前和启有后是不一样的。

Sw1(config)#spanning-tree portfast default （所有接口启用）全局下用
一般用在接入层的交换机上。

Sw1(config-if)#spanning-tree portfast  接口下单独启用

Sw1(config-if)#spanning-tree portfast disable (某个口禁用，通常是连接另一台交换机的口）

・UplinkFast：
　在接入层SW上配置，用于检测直连到分布层SW的链路故障，并加速STP的收敛速度。
  30S->0S

Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast
（Uplinkfast是一个全局命令，将影响SW上的所有VLAN）

Debug spanning-tree events

测试：将有效链路口shut，原来BLK口立即转发，

・Uplinkfast将网桥PRI增加到49152，将端口Cost增加3000
　使SW不能成为Root。所以一般配置在接入层SW。

Sw2#show spanning-tree
　　........  Uplinkfast enabled

Sw2#show spanning-tree uplinkfast 可以看到哪些接口成为备份

Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast max-update-rate 200
（每秒所发包的数目，默认值150）

・BackboneFast：
　BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。用于检测主干SW间的链路故障。（50S -> 30S）

・要求BackboneFast应用在所有SW上。

当交换机检测到次级BPDU后，将使用替代路径发送RLQ BPDU（根链路查询BPDU），RLQ BPDU通过中间交换机向根交换机传播，并且根交换机将最终响应。

Sw1（config）#spanning-tree backbonefast

Sw1#show spanning-tree backbonefast 可以查看RLQ消息和次级BPDU