16.HCNA-HNTD——STP原理与配置

STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写。该协议可应用于在网络中建立树形拓扑，消除网络中的环路，并且可以通过一定的方法实现路径冗余，但不是一定可以实现路径冗余。生成树协议适合所有厂商的网络设备，在配置上和体现功能强度上有所差别，但是在原理和应用效果是一致的。

STP是为克服冗余网络中透明桥接的问题而创建的，目的是通过协商一条到根网桥的无环路径来避免和消除网络中的环路，它通过判定网络中存在环路的地方并动态阻断冗余链路来实现这个目的。通过这种方式，它确保到每个目的地都只有一个路径，所以永远都不会产生环路。

生成树协议的主要功能有两个：一是在利用生成树算法、在以太网络中，创建一个以某台交换机的某个端口为根的生成树，避免环路。二是在以太网络拓扑发生变化时，通过生成树协议达到收敛保护的目的。

为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

学习目标：
1. 掌握STP的工作原理
2. 掌握STP的基本配置

环路引起的问题

随着局域网规模的不断扩大,越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如果交换机之间仅使用一条链路互连,则可能会出现单点故障, 导致业务中断。为了解决此类问题,交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。
冗余链路虽然增强了网络的可靠性,但是也会产生环路,而环路会带来一系列的问题,继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

广播风暴

根据交换机的转发原则,如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧,或者是一个目的MAC地址未知的单播帧,则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路,则这个帧会被无限转发,此时便会形成广播风暴,网络中也会充斥着重复的数据帧。
本例中,主机A向外发送了一个单播帧,假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后,将其转发到SWA和SWC,SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口,结果此帧又会被再次转发给SWB,这种循环会一 直持续,于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降,并会导致业务中断。

MAC地址表震荡

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。
主机A向外发送一个单播帧,假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后,在 MAC地址表中生成一个MAC地址表项,00-01-02-03-04-AA,对应端口为G0/0/3,并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1 端口转发此帧为例进行说明。
SWA接收到此帧后,由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项,所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。
SWC接收到此帧后,由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项,所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB,也会发给主机B 。
SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后,会在MAC地址表中删除原有的相关表项,生成一个新的表项,00-01-02-03-04-AA,对应端口为 G0/0/2。此过程会不断重复,从而导致MAC地址表震荡。

STP工作原理

STP的作用

在以太网中,二层网络的环路会带来广播风暴,MAC地址表震荡,重复数据帧等问题,为解决交换网络中的环路问题,提出了STP。
STP的主要作用:
1. 消除环路:通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
2. 链路备份:当活动路径发生故障时,激活备份链路,及时恢复网络连通性。

STP操作

STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。
每个STP网络中,都会存在一个根桥,其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部,是STP网络的逻辑中心,非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时,非根桥之间会交互信息并重新选择根桥,交互的这种信息被称为BPDU。BPDU中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息,后面会有详细介绍。
STP中定义了三种端口角色:指定端口,根端口和预备端口。 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口,每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下,根桥的每个端口总是指定端口。
根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口,但根桥上没有根端口。
如果一个端口既不是指定端口也不是根端口,则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

根桥选举

STP中根桥的选举依据的是桥ID,STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。桥ID由16位的桥优先级(Bridge Priority)和48位的 MAC地址构成。在STP网络中,桥优先级是可以配置的,取值范围是 0~65535,默认值为32768。优先级最高的设备(桥ID最小)会被选举为根桥。如果优先级相同,则会比较MAC地址,MAC地址越小则越优先。
交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下,所有交换机启动时都认为自己是根桥,自己的所有端口都为指定端口,这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后, 会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低,接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高,则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段,宣告新的根桥。

根端口选举

非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID (Bridge ID)、对端PID(Port ID)和本端PID。
交换机的每个端口都有一个端口开销(Port Cost)参数,此参数表示该端口发送数据时的开销值,即出端口的开销。STP认为从一个端口接收数据是没有开销的。端口的开销和端口的带宽有关,带宽越高,开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条,每一条路径都有一个总的开销值,此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和,即根路径开销RPC(Root Path Cost)。非根桥根据根路径开销来确定到达根桥的最短路径,并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。
一般情况下,企业网络中会存在多厂商的交换设备,华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准,提供最大程度的兼容性。缺省情况下,华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。
运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID,端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240,步长为16,即取值必须为16的整数倍。缺省情况下,端口优先级是128。端口ID(port ID)可以用来确定端口角色。
每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口,这个最近的衡量标准是靠累计根路径开销来判定的,即累计根路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后,抽取该BPDU报文中累计根路径开销字段的值,加上该端口本身的路径开销即为累计根路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计根路径开销相同, 那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。
如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上,则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上,则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。

指定端口选举

在网段上抑制其他端口(无论是自己的还是其他设备的)发送BPDU报文的端口,就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口, 根桥的所有端口都是指定端口(除非根桥在物理上存在环路)。
指定端口的选举也是首先比较累计根路径开销,累计根路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计根路径开销相同,则比较端口所在交换机的桥ID,所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计根路径开销和所在桥ID选举出来,则比较端口ID,端口ID最小的被选举为指定端口。
网络收敛后,只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口,被阻塞,不能转发数据,只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文,并以此来监视链路的状态。

端口状态

图中所示为STP的端口状态迁移机制,运行STP协议的设备上端口状态有5种:
1. Forwarding:转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文,只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。
2. Learning:学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表 ,但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。
3. Listening:侦听状态。端口可以转发BPDU报文,但不能转发用户流量。
4. Blocking:阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU,不能转发 BPDU,也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
5. Disabled:禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文,也不转发用户流量。

BPDU

为了计算生成树,交换机指间需要交换相关的信息和参数,这些信息和参数被封装在BPDU(Bridge Protocol Data Unit)中。
BPDU有两种类型:配置BPDU和TCN BPDU。
1. 配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机指间传递配置BPDU来选举根交换机,以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中,每个桥都主动发送配置BPDU 。在网络拓扑稳定以后,只有根桥主动发送配置BPDU,其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后,才会发送自己的配置BPDU。
2. TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。
配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算,其中包含的重要信息如下:
根桥ID:由根桥的优先级和MAC地址组成,每个STP网络中有且仅有一个根。
根路径开销:到根桥的最短路径开销。
指定桥ID:由指定桥的优先级和MAC地址组成。 指定端口ID:由指定端口的优先级和端口号组成。
Message Age:配置BPDU在网络中传播的生存期。
Max Age:配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
Hello Time:配置BPDU发送的周期。
Forward Delay:端口状态迁移的延时。

计时器

STP协议中包含一些重要的时间参数,这里举例说明如下:
1. Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔,用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文,以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后,该值只有在根桥上修改才有效。
2. Message Age:如果配置BPDU是根桥发出的,则Message Age为0 。否则,Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间,包括传输延时等。实际实现中,配置BPDU报文每经过一个交换机,Message Age增加1。
3. Max Age是指BPDU报文的老化时间,可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递,可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后,会将报文中的 Message Age和Max Age进行比较:如果Message Age小于等于 Max Age,则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果 Message Age大于Max Age,则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU,并认为是网络直径过大,导致了根桥连接失败。

STP拓扑变化

根桥故障

在稳定的STP拓扑里,非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障,停止发送BPDU报文,下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文,Max Age定时器就会超时(Max Age的默认值为20秒),从而导致已经收到的BPDU报文失效,此时,非根交换机会互相发送配置BPDU报文,重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间,恢复时间约等于 Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

直接链路故障

此例中,SWA和SWB使用了两条链路互连,其中一条是主用链路,另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后,如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障,则其Alternate端口会迁移到Listening、 Learning、 Forwarding状态,经过2倍的Forward Delay后恢复到转发状态。

非直接链路故障

本例中,SWB不SWA之间的链路发生了某种故障(非物理层故障), SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。此时,SWB会认为根桥SWA不再有效,于是开始发送BPDU报文给SWC,通知SWC自己作为新的根桥。SWC也会继续从原根桥接收BPDU报文,因此会忽略SWB 发送的BPDU报文。由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥 ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后,SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。SWB放弃宣称自己是根桥并开始收敛端口为根端口。非直连链路故障后,由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间,端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。

拓扑改变导致MAC地址表错误

在交换网络中,交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下, MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化,交换机转发数据的路径也会随着发生改变,此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误,因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。
本例中,SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3 可以到达主机A,通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障,导致生成树拓扑重新收敛,在生成树拓扑完成收敛之后,从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒,主机A发往主机B的帧到达SWB后,SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。

拓扑改变导致MAC地址表变化

拓扑变化过程中,根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下:
1. SWC感知到网络拓扑发生变化后,会不间断地向SWB发送TCN
BPDU报文。
2. SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后,会把配置BPDU报文中的 Flags的TCA位设置1,然后发送给SWC,告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
3. SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
4. SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送,通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forwarding Delay的时间(默认为15秒)。
5. 最多等待15秒之后,SWB中的错误映射关系会被自动清除。此后, SWB就能通过G0/0/2端口把从主机A到主机B的帧正确地进行转发。

STP的配置

STP模式

华为X7系列交换机支持三种生成树协议模式。
stp mode { mstp | stp | rstp }命令用来配置交换机的生成树协议模式。 缺省情况下,华为X7系列交换机工作在MSTP模式。在使用STP前, STP模式必须重新配置。

配置交换机优先级

基于企业业务对网络的需求,一般建议手动指定网络中配置高、性能好的交换机为根桥。
可以通过配置桥优先级来指定网络中的根桥,以确保企业网络里面的数据流量使用最优路径转发。
stp priority priority命令用来配置设备优先级值。priority值为整数,取值范围为0到61440,步长为4096。缺省情况下,交换设备的优先级取值是32768。另外,可以通过stp root primary命令指定生成树里的根桥。

配置路径开销

华为X7系列交换机支持三种路径开销标准,以确保和友商设备保持兼容 。缺省情况下,路径开销标准为IEEE 802.1t。
stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }命令用来配置指定交换机上路径开销值的标准。
每个端口的路径开销也可以手动指定。此STP路径开销控制方法须谨慎使用,手动指定端口的路径开销可能会生成次优生成树拓扑。
stp cost cost命令取决于路径开销计算方法:
1. 使用华为的私有计算方法时,cost取值范围是1~200000。
2. 使用IEEE 802.1d标准方法时,cost取值范围是1~65535。
3. 使用IEEE 802.1t标准方法时,cost取值范围是1~200000000。

配置验证

display stp命令用来检查当前交换机的STP配置。命令输出中信息介绍如下。
CIST Bridge参数标识指定交换机当前桥ID,包含交换机的优先级和MAC地址。
Bridge Times参数标识Hello定时器、Forward Delay定时器、Max Age 定时器的值。
CIST Root/ERPC参数标识根桥ID以及此交换机到根桥的根路径开销。

display stp命令显示交换机上所有端口信息;display stp interface interface命令显示交换机上指定端口信息。其他一些信息还包括端口角 色、端口状态、以及使用的保护机制等。

总结：
1. 根桥产生故障后，其他交换机会被选举为根桥，那么原来的根桥恢复正常之后，网络又会发生什么变化呢？
2. 路径开销和根路径开销的区别是什么？
答：
1. 如果生成树网络里面根桥发生了故障,则其它交换机中优先级最高的交换机会被选举为新的根桥。如果原来根桥再次激活,则网络又会根据BID来重新选举新的根桥。
2. 根路径开销是到根桥的路径的总开销,而路径开销指的是交换机端口的开销。