STP理论知识

1.STP:bridges之间交换BPDU信息来检测循环,并通过关闭接口的方式来破坏循环

2.根桥(root bridge):拥有最好的bridge ID即为根桥,网络中的一些诸如哪些端口被堵塞(block)哪些端口作为转发模式的决定都由根桥来决定

3.BPDU:Bridge Protocol Data Unit,所有的switches通过交换这些信息来选择根switch

4.bridge ID:用于STP跟踪网络中的所有switches,这个ID由bridge优先级(priority)和MAC地址符合而成,优先级默认为32768,ID最低的即为根桥

5.非根桥(nonroot bridge):不是根桥的全为非根桥,非根桥交换BPDUs来更新STP拓扑数据库

6.根端口(root port):与根桥直接相连的端口,或者是到根桥最短的接口.如果到根桥的连接不止1条,将比较每条连接的带宽,耗费(cost)低的作为根端口;如果耗费相同就比较bridge ID,ID低的将被选用

7.指定端口(designated port):耗费低的端口,作为转发端口

8.端口耗费(port cost):带宽来决定

9.非指定端口(nondesignated port):耗费较高,为堵塞模式(blocking mode),即不转发帧

10.转发端口(forwarding port):转发端口用来转发帧

11.堵塞端口(blocked port):不转发帧,用来防止循环的产生,虽然不转发,但是它可以监听(listen)帧

　　Spanning Tree Operations

　　之前说过:STP的任务就是查找出网络中的所有连接,并关闭些会造成循环的冗余连接.STP首先选举1个根桥,用来对网络中的拓扑结构做决定. 当所有的switches认同了选举出来的根桥后,所有的bridge开始查找根端口.假如在switches之间有许多连接,只能有1个端口作为指定端 口

　　Selecting the Root Bridge

　　bridge ID用来在STP域里选举根桥和决定根端口,这个ID是8字节长,包含优先级和设备的MAC地址,IEEE版本的STP的默认优先级是32768.决定谁是根桥,假如优先级一样,那就比较MAC地址,MAC地址小的作为根桥

　　Selecting the Designated Port

　　假如不止1个连接到根桥，那就开始比较端口耗费,耗费低的作为根端口,下面是一些典型的耗费标准:
1.10Gbps:2
2.1Gbps:4
3.100Mbps:19
4.10Mbps:100

　　Spanning-Tree Port States

　　运行STP的bridges和switches的5种状态:
1.堵塞(blocking):不转发帧,只接受BPDUs,主要目的是防止循环的产生.默认情况下,当switch启动时所有端口均为blocking状态，一般为20s
2.监听(listening):端口接受和发送BPDUs监听数据帧,不转发数据帧，来决定在传送数据帧之前没有循环会发生，一般为15s
3.学习(learning):监听BPDUs和学习所有路径,学习MAC地址表,不转发帧，一般为15s
4.转发(forwarding):转发和接收数据帧，读取MAC地址，更新桥的CAM表。
5.禁用(disabled):不参与帧的转发和STP,一般在这个状态的都是不可操作的

生成树”资料

交换机内的生成树算法(STA)使你可以创建一条备用链路（当网络中存在多台交换机时）。 在主链路正常工作时，备用链路处于空闲状态（不工作）；只有在主链路出现问题时，备用链路才不需要任何人工干预自动地接替主链路。这种自动重构的功能，使 得网络上的用户能够最大限度地与网络保持正常的连接。生成树算法较复杂，所以，建议最好在充分研究理解其之后，再更改其一些设置。请仔细阅读并理解下述内 容之后，再去更改交换机上的生成树的默认设置。

网络环路的侦测和预防（Network loop detection and prevention）：任何两个局域网之间应该只有一条路径，否则，网络中将出现环路。如果存在着多于一条的路径，那么生成树算法将会侦测到环路的发 生，并自动选择开销值（c ost）最低的那条路径作为可使用的路径（主链路），而阻断其它路径，将它们作为备用路径（备用链路）。

自动拓扑重构（Automatic topology re-configuration）：当主链路出现故障时，生成树算法将自动启用备用链路，重构网络结构。

生成树的级别（STA Operation Levels）

生成树有两种工作级别：桥级别（bridge level）和端口级别（port level）。在桥一级上，生成树算法为每台交换机计 算桥的标志级数（Bridge Identifier），然后设定根桥（Root Bridge）和指定桥（Designated Bridges）。而在端口一级上，生成树算法设定根端口（Root Port）和指定端口（Designated Ports）。详述如下：

在桥一级上（On the Bridge Level）：

根桥（Root Bridge）：具有最小桥标志级数的（lowest Bridge Identifier）交换机是根桥（Root Bridge）。当然，你希望根桥是环路中所有交换机当中最好的一台（交换机），以保证能够提供最好的网络性能和可靠性。

桥标志级数（Bridge Identifier）：桥标志级数是桥的优先级（Bridge Priority）和交换机的MAC地址的综合数值，其中桥的优先级（Bridge Priority）是一个你可以设定的参数。例如，“4 00 80 C8 00 01 00”中的“4”是桥的优先级，“00 80 C8 00 01 00”是交换机的MAC地址。交换机的桥标志级数越低，则交换机的优先级越高，这样可以增加其成为根桥的可能性。

指定桥（Designated Bridge）：在每个网段中，到根桥（Root Bridge）的路径开销最低的（lowest Root Path Cost）桥将成为指定桥（Designated Bridge），数据包将通过它转发到网段。一旦所有的交换机具有相同的根路径开销（Root Path Cost），那么具有最低的桥标志级数的（lowest Bridge Identifier）交换机才会被定为指定桥（Designated Bridge）。

根路径开销（Root Path Cost）：一台交换机的根路径开销（Root Path Cost）是根端口（Root Port）的路径开销（Path Cost）与数据包经过的所有交换机的根路径开销（Root Path Cost）之和。根桥（Root Bridge）的根路径开销（Root Path Cost）是零。

桥的优先级（Bridge Priority）：是一个用户可以设定的参数。设定的值越小，优先级越高。交换机具有越高的优先级，才越有可能成为根桥。

在端口一级上（On the Port Level）：

根端口（Root Port）：每台交换机都有一个根端口（Root Port），这个端口到根桥的路径开销最低。一旦多个端口具有相同的到根桥的路径开销时，那么具有最低的端口标志级别的才会成为根端口。

指定端口（Designated Port）：指定端口就是指定桥（Designated Bridge）上的端口。

端口优先级（Port Priority）：数值越小，端口的优先级就越高。具有越高端口优先级，才越有可能成为根端口。

路径开销（Path Cost）：这是一个可变的参数，它将随着生成树中的设定值的变化而变化。依据STA的默认参数值，每个1000Mbps网段有一个指定的路径开销值为4 ，100Mbps网段的路径开销值19，10Mbps网段的路径开销值100。

生成树参数（STA Parameters）

生成树的参数用户可以根据自己的需要进行修改，但是建议最好使用出厂时的默认设置。除非确实需要对出厂设置值进行变动时，再去改动默认值。用户可以改动的生成树参数有如下几个：

桥优先级（Bridge Priority）：数值范围从0到65535。“0”的优先级最高。

呼叫时间（Bridge Hello Time）：数值范围从1秒到10秒。是指根桥向其它所有交换机发出BPDU数据包的时间间隔，以告知其它所有交换机它是根桥。如果你的交换机还未是根桥时为其设置了呼叫时间，那么，一旦你的交换机成为根桥，该呼叫时间就会派上用处。

注意：呼叫时间不能大于桥的最大老化时间（Max. Age），否则，将出现错误信息。

最大的桥老化时间（Bridge Max. Age）：数值范围从6秒到40秒。如果在超出最大老化时间之后，还没有收到根桥发出的BPDU数据包，那么，在允许的条件下你的交换机将充当根桥向其它所有的交换机发出B PDU数据包。如果交换机确实具有最小的桥标志级数，那么，它将随之成为根桥。

桥转发时延（Bridge Forward Delay）：数值范围从4秒到30秒。是指交换机的端口从阻塞状态转为转发状态所用的监听时间。

当你欲变动生成树参数时，请一定记住下述公式：

最大的桥老化时间≤ 2 x（桥转发时延 – 1秒）
即：Max. Age ≤ 2 x (Forward Delay - 1 second)
最大的桥老化时间≥ 2 x（呼叫时间 + 1秒）
即：Max. Age ≥ 2 x (Hello Time + 1 second)
端口优先级（Port Priority）：数值范围从0到255。数值越小，那么该端口越可能成为根端口。

生成树协议（STP）

1. 冗余链路：冗余连接可以防止网络中的单点失效的问题；冗余连接也导致了交换回路的出现。

2. 交换回路引发的问题：广播风暴；同一帧的多拷贝；不稳定的MAC地址表。

3. STP介绍：通过阻塞一个或多个冗余端口，维护一个无回路的网络（IEEE802.1d）

4. 工作过程：运行生成树算法（STA）的交换机定期发送BPDU；选取唯一一个根网桥；在每个非根网桥选取唯一一个根端口；在每网段选取唯一一个标志端口。

(1). 选取唯一一个根网桥：BPDU中包含Bridge ID；Bridge ID（8B）＝优先级（2B）＋交换机MAC地址（6B）；一些交换机的优先级默认为32768，可以修改；优先级值最小的成为根网桥；优先级值最小的成为根网桥；优先级值相同，MAC地址最小的成为根网桥；Bridge ID值最小的成为根网桥；根网桥缺省每2秒发送一次BPDU；

(2). 在每个非根网桥选取唯一一个根端口：根网桥上没有根端口；端口代价最小的成为根端口；端口代价相同，Port ID最小端口的成为端口；Port ID通常为端口的MAC地址；MAC地址最小的端口成为根端口；

(3). 在每网段选取唯一一个标志端口：端口代价最小的成为标识端口；根网桥端口到各网段的代价最小；通常只有根网桥端口成为标识端口；被选定为根端口和标识端口的进行转发状态；落选端口进入阻塞状态，只侦听BPDU；

(4). 阻塞端口在指定的时间间隔（缺省20秒）收不到BPDU时，会重新运行生成树算法进行选举；缺点：在运行生成树算法的过程中，网络处理阻断状态，所有端口都不进行转发。计算过程缺省为50秒。

生成树相关的几个概念STP/RSTP/MSTP

STP：IEEE Std 802.1D-1998定义，不能快速迁移。即使是在点对点链路或边缘端口，也必须等待2倍的forward delay的时间延迟，网络才能收敛。

RSTP：IEEE Std 802.1w定义，可以快速收敛，却存在以下缺陷：
局域网内所有网桥共享一棵生成树，不能按vlan阻塞冗余链路。

MSTP可以弥补这样缺陷，它允许不同vlan的流量沿各自的路径分发，从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。

MSTP：Multiple Spanning Tree Protocol多生成树协议在规范IEEE Std 802.1s中第13节描述。

MSTP算法通过应用MSTP、STP或RSTP的桥任意互连的桥接网络，为分配给任一个特定VLAN的帧提供了简单而完备的连通性。

MSTP允许不同VLAN的数据从各自的路径分发。各条路径建立在由LAN和MST桥组成的MST域中的各个独立的多生成树实例的基础上。

当STP和RSTP混用

当STP和RSTP混用时，STP会丢弃RSTP的BPU，当RSTP收到STP的BPDU的时候会在经过一个hello周期后（防止端口频繁切换），适配未STP模式！

当网络中支持STP的设备被拿走后，RSTP的设备不会自动切换为RSTP状态，因为设备不能察觉这种情况！

MSTP和PVST的区别！

PVST会为每一个VLAN维护一个STP 的进程，发送BPUD，但是会给交机和链路带来很大的负担！

但是在实际组网中并不需要为每个VLAN生成独立的VLAN，可以给一组VLAN采用相同的STP！

因此MSTP，对此进行了改进！提出了region的概念！

详细可以参考RFC！

MSTP和RSTP的互通

MSTP上存在一个IST（Internal Spanning Tree）,相当于一个RSTP的进程，通过该IST和其它RSTP设备互通！整个MSTP的Region 对于CST（Common Spanning Tree）来说是一个虚拟的交换机！