STP基础
802.1d STP（生成树协议）的作用：在交换机间防止环路发生。STP通过阻塞某些接口来实现。
●STP的实现过程，三步：
1）选举根交换机：最小bridge ID的交换机胜出（标准bridge ID指MAC地址+2字节优先权值）
2）确定每个交换机的根端口：每台交换机上到根交换机路径开销最小的端口
3）为每个段确定指定端口（Designated Port）：当多台交换机连入同一段时，那个转发Hello消息开销最小的交换机端口
●详解STP第一步
只有一台根交换机。其选举过程如下：每个交换机最初发送STP Hello BPDU（bridge protocol data unit）消息来参与竞选。如果一个交换机收到优先级更高的Hello（更小的bridge ID），它就停止自发送Hello以退出竞选，相反，它会转发更高优先级的Hello。最终，只剩下一台交换机还在发送Hello——它就是最后的胜出者。
初始的IEEE 802.1d bridge ID包含两个字段：
1）2字节的Priority字段，可进行配置以影响STP选举过程
2）6字节MAC地址，因为该字段是唯一的，就保证了最终有一台交换机在选举中能胜出。
●详解STP第二步
1）每隔Hello定时器时间（默认为2秒），根交换机创建并发送Hello消息。
2）每台交换机接收到Hello消息后，先更新Hello中的如下字段：开销，转发交换机的bridge ID，转发端口的优先级和转发端口号，然后再转发出去。
3）交换机不在稳定为阻塞状态的端口上转发Hello。
4）在交换机接收到Hello的所有端口中，到根交换机开销（Hello消息中的开销值+交换机STP端口开销值）最小的端口就是根端口。
IEEE 802.1d所规定的默认端口开销：
1）10Mbps接口：100
2）100Mbps接口：19
3）1Gbps接口：4
4）10Gbps接口：2
如果计算出的开销值有相等的情形，采用如下仲裁机制：
1）选择转发交换机bridge ID最小的
2）选择邻接交换机中端口优先值最小的
3）选择Hello中列出的内部端口号最小的
●详解STP第三步
会聚的STP拓扑只有一台交换机转发到每个LAN段，该交换机称为该段的指定交换机（designated switch），而用于转发到该段的端口称为指定端口。
指定端口是向该段发送含最小广告开销的Hello消息的端口。如果开销相等，仲裁机制与上同。
●收敛到新的STP拓扑
当STP有稳定拓扑时：
1）根交换机基于Hello定时器周期性地生成Hello。
2）每台非根交换机（基于Hello定时器）周期性在其根端口上接收根交换机的Hello消息。
3）每台交换机更新Hello消息并在其指定端口上转发出去。
4）对于每个阻塞端口，交换机周期性地由指定端口接收Hello消息（在阻塞端口上不再转发）。
如果网络拓扑发生变化，STP会重新收敛。如果根交换机失效，在最大时间定时器（默认为20秒）超时后，交换机会选举新的根交换机。
当STP重收敛发生时，有些CAM（Content Addressable Memory）记录会变成无效。为了更新CAM，可以考虑：
1）通知所有交换机CAM记录超时失效
2）每台交换机使用更短的定时器（与Forward Delay timer相等，默认为15秒）来使CAM记录超时失效。
因为有些交换机察觉不到STP拓扑的改变，所以其他察觉出变化的交换机有责任通知它们。为此，交换机可以用TCN（Topology Change Notification）BPDU通知根交换机，然后根交换机通知其余交换机。
●由阻塞状态转换到转发状态
当STP重收敛时，原来处于阻塞状态的端口可能转换为根端口或指定端口，此时端口处于转发状态。不过这个过程不是立即发生的，为了避免引起环路，这个转换过程一般如下：先将变化之前的阻塞状态的端口置于监听状态，然后再到学习状态（每个状态延续时间由转发延迟定时器决定（默认为15秒）），最后再转换。
802.1d STP接口状态表：
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状态
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是否转发帧？
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是否学习接收到的帧的源MAC地址？
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暂时还是稳定状态？
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阻塞
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否
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否
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稳定
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监听
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否
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否
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暂时
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学习
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否
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是
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暂时
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转发
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是
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是
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稳定
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屏蔽
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否
|
否
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稳定
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●为什么引入Per-VLAN生成树？
在STP应用中，我们会碰到这样一种情形：如果一个STP实例用于带冗余链接且含有多个VLAN的交换网络，那么有些端口就会处于阻塞状态，在稳定状态下也无法使用，而实际这些冗余链接是备份流量所必需的。Cisco的Per VLAN增值生成树（PVST+）功能可以对每个VLAN创建一个STP实例。这样，每个STP实例可以使用不同的根交换机，阻塞不同的接口，那么流量负载就能够在现有链接上得到均衡。
●需要注意的是，802.1Q本身不支持PVST+，但是Cisco交换机可以支持PVST over 802.1 trunk。现在所有Cisco交换机默认都设置PVST+。
STP的保护
STP也可能遭受到各种类型的攻击，所以STP的保护工作也非常重要
●对接入端口的保护：Root Guard和BPDU Guard
对于接入端口而言，可能临时新连接一台交换机在其下，而这可能会引起STP拓扑不必要的变化。要防止此问题，可以在接入端口激活BPDU Guard和Root Guard来监控是否有BPDU进入。它们的基本操作如下：
1）BPDU Guard：在每个端口上激活；如果接收到任何BPDU，该端口即被屏蔽。配置后可自动恢复。
2）Root Guard：在每个端口上激活；忽略任何优先级更高的BPDU，这样可以阻止连接在此端口的交换机成为根交换机。无需配置即可自动恢复。
●对中继端口的保护：UDLD和Loop Guard
对于中继端口而言，最主要的问题是要避免因为单向（Unidirectional）链路（链路一端失败，可能是因为一端接插问题而引起）的存在而导致交换机端口错误地从阻塞状态转换到转发状态。解决这个问题的办法是：UDLD（两种模式）和Loop Guard，具体操作如下：
1）UDLD：使用第二层消息来决定什么时候交换机不再由邻接交换机接收帧，交换机未失败的传输接口置为错误屏蔽状态。配置后可自动恢复。
2）UDLD aggressive mode：当接收不到另一交换机消息时，先试图重连（8次），如果仍然没有反应，那么两端都置为错误屏蔽状态。配置后可自动恢复。
3）Loop Guard：当接收不到正常的BPDU时，端口不再进行正常的STP收敛，而是进入STP环路冲突（loop-inconsistent）状态。无需配置即可自动恢复。
STP/生成树(Spanning Tree Protocol)
冗余带来网络环路
产生的3大问题:
1:Multiple Frame Copies/多帧复制
2:MAC Database Instability /MAC地址数据库的不稳定
/端口漂移
3:Broadcast Storms/广播风暴
解决方案:STP
STP是链路管理协议
将特定的端口置于阻塞状态,来实现既没有环路,也可以冗余的网络.
STP核心:
Provides a loop-free redundant network topoloty,by placing certain ports in the blocking state.
STP信息是通过BPDU来传输的
桥接协议数据单元BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
作用：
在交换网络中由根桥RB(Root Bridge)发送，用于STP的计算和收敛；发送周期为2秒；
两种类型：
配置DPDU 是所有端口上的根网桥以周期性间隔而发出的
TCN(Topology Change Notification) BPDU 当交换机检测到拓扑变更时所产生的
(TC发送时间持续35秒,即delay time+BPDU老化时间).
BPDU完成的任务：
选举根桥
确定冗余路径的位置
阻塞特定端口防止环路
通告网络的拓扑变更
监控生成树的状态
协议ID（0） 表示协议 802.1d
版本号（0） STP的版本，802.1D的版本是0
BPDU类型 BPDU类型(配置BPDU=0,TCN BPDU=80)
信息寿命 从根桥发出BPDU之后的秒数,每经过一个网桥都递减1,本质上是到达网桥的跳计数
标记域 包括 拓扑变化(TC)位,置位了就指明该BPDU是一个拓扑变化通告 或 拓扑变化确认(TCA)位
交换机对BPDU的处理:
如果交换机从一个接口接收到优先级高的BPDU，会把该BPDU保存下来并且该接口不再往外发送BPDU；
在收敛时只有根桥产生BPDU，其余交换机只能从RP接收BPDU后才从DP发送出去；这样非根桥可能从DP或者NDP接受到BPDU；
如果交换机从DP接收到优先级低的BDPU会丢弃，并给源MAC发送自己较新的BPDU；如果从NDP收到优先级低的BPDU会只丢弃了事。
端口的不同状态：
堵塞（Block，默认20s）：只监听流入的BPDU
监听（Listen，默认15s）：监听和发送BPDU（根桥、根端口、指定端口等的选举在该阶段完成，如果接口没有成为DP则重新回到Block）:
学习（Learning，默认15s）:监听和发送BPDU,并且会在该接口上学习流入帧的MAC地址
转发： 监听和发送BPDU,会在该接口上学习流入帧的MAC地址,接收和转发数据帧
禁用: 不参与STP,并且不能转发任何数据.
STP定时器:
Hello time(2s) 用于确定根交换机多长时间向其他的交换机广播一次配置BPDU.
Forward delay(15s) 监控每个端口在学习和监听状态上停留的时间
Max Age(20s) 控制端口保存配置BPDU信息的最大时间
作用:让网络有足够的时间来获得有关拓扑的正确信息,并确定是否存在冗余链路.
STP的默认最大寿命计时器为7,表示最大的网络直径可达7台设备.
所以BPDU的Forward delay为20秒
bpdu广播2s一次，允许有3个包丢失即6s,当假设最大为7跳的时候，则一共要用20s,所以BPDU的有效时间为20s
命令:
(config)#spanning-tree vlan 2 hello-time 2 //范围1-10s
spanning-tree vlan 2 forwad-time 4 //范围4-30s
spanning-tree vlan 2 max-age 6
STP执行的4步判决顺序
确定根交换机 lowest root BID
计算到根交换机的最小路径开销 lowest path cost to root bridge
确定最小的发送者BID lowest sender BID
确定最小的端口ID lowest port ID
LAB1:根桥的选举
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
引用原则1:
Lowest BID那个交换机,就是root Bridge.
BID:(Bridge ID)
由本交换机的网管MAC地址,和交换机的优先级组成,一共8个字节的16进制.
Step1:察看交换机的网管IP 所对应那个MAC地址
SW1#show version
Base ethernet MAC address: 00:07:EC:A8:4B:80
Step2:
察看STP的相关信息:(察看本机BID)
SW3#show spanning-tree
交换机的STP的优先级,默认都是0x8000(32768)
Boot ID /Bridge ID
如果Root ID=本交换机的Bridge ID,说明本交换机就是根桥.
Step3:人为控制,根桥的选举(控制根桥/后备根桥的选举)
SW3(config)#spanning-tree vlan 1 priority 0 (0x0000)
SW1(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096 (0x1000)
SW-A(config)#spanning-tree vlan 1 root priority
(24576=0x6000)
SW-B(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary
(28672=0x7000)
LAB2:非根桥交换机的根端口选择:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
引用原则2:
Lowest path cost to root bridge
Spanning-Tree Path Cost
根端口:
在非根桥交换机上,到达根桥所需的路径开销,最小的那个端口.
链路带宽与cost
cost是如何叠加的？
每个非根桥,都只有一个根端口.
SW1#show interface status
SW1(config)#int fa 0/12
speed 10
SW1#show spanning-tree interface fastethernet 0/12 detail
port path cost 100
根桥上,没有根端口,"所有与交换机相连的端口"都是"指定端口"
(config-if)#spanning-tree vlan 1 cost ? //修改端口开销
designated port
LAB3:每条segment上的,的选择:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
引用原则3:
Lowest sender BID
Step1:判断SW1的SW3之间的segment上,哪个是D-PORT? (8)
Step2:
SW1(config)#spanning-tree vlan 1 priority 36864
(0x9000)
LANB4:sender BID相同的情况下,designated port的选择:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
如果sender BID相同,则引用原则4:
Lowest (对方的) port ID
Step1:
SW2(根桥)# 察看端口的Port-ID
show spanning-tree interface fastEthernet 0/12 detail
port identifier 128.12
SW2(config-if)#spanning-tree port-priority 32 (16进)
LAB5:观察 blocked端口
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
查看所有segment:
观察除了指定端口,和根端口以外的端口,都是被堵塞的.
show spanning-tree vlan 1 detail //显示各个端口上所接收的BPDU数目
STP的的特性：（CISCO私有）
1:PortFast 加快终端主机连接入stp网络的收敛.
只适用于,在交换机与主机(电脑)相连的端口, 不应该在交换机与交换机,路由器,hub互连的网络设备的端口使用.
interface FastEthernet0/1 (交换机上,在连接主机的端口)
switchport mode access (接入链路)
spanning-tree portfast
spanning-tree portfast default //全局模式下使用,全局启用portfast.
2.uplink-fast:
在所有接入层/分布层(非核心层)交换机上,配置uplink-fast,用于加速因为直链故障/直链检测错误，所引起的STP网络变化的收敛速度.
block - forward
1~5s
sw1(config)#spanning-tree uplink-fast //启用uplink-fast
show spanning-tree uplinkfast //查看uplinkfast信息
将网桥优先级增加49152,并且将交换机上所有接口的生成树端口开销增加3000
3.BackBone-Fast:
当遇到非直链检测错误时,加速其收敛速度:
大约为30s
indirect Link Failure
所有的交换机上,配置BackBone-Fast
sw1/2/3(config)#spanning-tree backbonefast //启用backbonefast
show spanning-tree backbonefast //查看backbonefast信息
4.portfast bpduguard (在已经是portfast端口上配置)
交换机端口的"portfast bpduguard"是指:
在交换机的端口一旦收到BPDU包时,立刻关闭端口(进入err-disable状态),避免了更大范围的广播风暴.
如果要打开必须先shutdown,再NO SH
设置自动重新启用老化时间:
(config)#errdisable recovery cause bpduguard //默认300秒
errdisable recovery interval ? //修改等待间隔
在连接主机的端口上:
Sw1(config-if)#spanning-tree bpduguard enable
bpduguard Don't accept BPDUs on this interface
5:portfast bpdufilter (在portfast端口配置)
防止交换机在启用"portfast"的接口上发送BPDU,并且将接收到的所有BPDU都丢弃.
在特定的portfast端口上配置:
sw1(config-if)#spanning-tree bpdufilter enable
(bpdufilter: Don't send or receive BPDUs on this interface)
sw3(config)#spanning-tree portfast bpdufilter default //全局的portfast端口上,都生效
注意:BPDU过滤可能导致环路,不推荐配置.配置过滤之后防护将不起作用.
6:root guard (推荐在所有的接入端口上配置)
将接口强制成为指定端口,从而防止周围的交换机成为根交换机.
(config-if)#spanning-tree guard root
show spanning-tree inconsistentports //显示"不一致根"
debug spanning-tree events