生成树协议Spanning Tree Protocol

生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是交换式以太网中的重要概念和技术，该协议的目的是在实现交换机之间的冗余连接的同时，避免网络环路的出现，实现网络的高可靠性。它通过在交换机之间传递桥接协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，BPDU）来互相告知诸如交换机的桥ID、链路性质、根桥（Root Bridge）ID等信息，以确定根桥，决定哪些端口处于转发状态，哪些端口处于阻断状态，以免引起网络环路.

当交换机之间有多个VLAN时Trunk线路负载会过重，这时需要设置多个Trunk端口，但这样会形成网络环路。STP协议便可以解决这一问题.

可以通过配置STP端口权值STP路径值来实现负载均衡. 如果使用STP端口权值来配置那么二条负载均衡的trunk必须联同一交换机上。使用路径值则即可以联相同的交换机与可以联不同的交换机。
使用STP端口权值的负载均衡
当同一台交换机的二个口形成环路时， STP端口权值用来决定那个口是enable的，那个口是阻断的.可以通过配置端口权值来决定二对trunk各走 那些VLAN, 有较高权值的端口（数字较小的）vlan, 将处于转发状态，同一个VLAN在另一个trunk有较低的权值（数字较大）则将处在阻断状 态。即同一VLAN只在一个trunk上发送接受。

配置STP权值（默认权值128）

Switch＃c onfig terminal
Switch(config)#interface f0/1            //进入端口1配置模式
Switch(config-if)#spanning-tree vlan port-priority 10            //将VLAN端口权值设为10
Switch(config-if)#exit

配置STP路径值（默认路径值19）

Switch＃c onfig terminal
Switch(config)#interface f0/1            //进入端口1配置模式
Switch(config-if)#spanning-tree vlan cost 30            //将VLAN生成树路径值设为30
Switch(config-if)#exit 

 

冗余带来网络环路

产生的3大问题:

  1:Multiple 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    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

logging buffered