一、生成树的技术概述

 人为因素导致的二层环路问题： 

 二层环路带来的网络问题：

生成树协议的概念：

        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。

​

        在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某 些）接口进行阻塞（Block ），从而打破环路。

生成树能够动态响应网络拓扑变化调整阻塞接口：

​

        交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并 且自动做出调整。

        因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

1）三层环路：

        常见原因：路由环路；

        防环机制：动态路由协议有一定的防环能力；

                          IP报文头部的TTL字段可用户防环（初始值为255，没经过一台路由器减1，当TTL为1时，机会转发将会被丢弃）

2）二层环路：

        常见原因：二次冗余环境；

        防环机制：需要借助特定的协议或机制实现二层防环；

                         二层帧头中没有任何可用于防环的字段。

STP是一个用于局域网中消除二层环路的协议，主要工作在二层网络中：

        防止环路；提供冗余备份链路；防止MAC地址表震荡。

===================================================================

二、STP的基本概念及工作原理：

1、基本概念

STP的基本概念——桥ID（Bridge ID，BID）：

1）BID = 优先级（16位）+MAC（交换机背板MAC，48位）

       （优先级默认32768（配置时为4096的倍数））；

2）每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID；

3）BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址；

4）在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。

-----------------------------------------------------

 STP的基本概念——根桥（root Bridge）：

1）STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的 “树”（STP树）。

2） 根桥是一个STP交换网络中的“树根” 。

3）STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，作为无环 拓扑的“树根” 。

4）在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。

        1. 首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先；

        2. 如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC 地址的交换机会成为根桥。

-------------------------------------

STP的基本概念——Cost（开销）：

1）接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。

2）接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机

3）使用的STP Cost计算方法有关。

        • 接口带宽越大，则Cost值越小。

        • 用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。

---------------------------------------------------

 STP的基本概念——Cost计算方法：

接口cost = 接口实际带宽除以参考带宽

-----------------------------------------------

 STP的基本概念——RPC（Root Path Cost，根路径开销）（R（Root Path Cost） oot Path Cost）：

        一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿 途所有入方向接口的Cost累加。

---------------------------------

 STP的基本概念——Port ID（PID，接口ID）：

1）接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是 接口编号。

2）激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换 机上，该值为128。

----------------------------------------------

STP的基本概念——BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）：

1）BPDU是STP的协议报文。

2）BPDU分为两种类型：

        • 配置BPDU（Configuration BPDU）

        • TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）

        • 配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键；

        • TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发。

------------------------------------------------

-----------------------------------------

2、工作原理

1）在交换网络中选举一个根桥：

• STP 在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU 。配置 BPDU 中包含交换机自己的桥 ID 。

• 网络中拥有最小桥 ID 的交换机成为根桥。

• 在一个连续的 STP 交换网络中只会存在一个根桥。

• 根桥的角色是可抢占的。

• 为了确保交换网络的稳定，建议提前规划 STP 组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0 。

2）在每台非根桥选举一个根端口：

• 每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个接口。

• 非根桥交换机上有且只会有一个根接口。

• 当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU 的接口。

• 可以形象地理解为，根接口是每台非根桥上“朝向”根桥的 接口。

3）在每条链路上选举一个指定端口：

• 根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置 BPDU 与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU 进行比较：

• 如果前者更优，则该接口为指定接口；

• 如果后者更优，则该接口为非指定接口。

• 一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口。

4）非指定端口被阻塞：

• 一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被称 为非指定接口。

• STP 操作的最后一步是阻塞网络中的非指定接口。这一步完 成后，网络中的二层环路就此消除。

STP的接口状态和结构状态迁移：

3、拓扑变换过程

1）根桥故障恢复过程：

1. SW1 根桥发生故障，停止发送 BPDU 报文。

2. SW2 等待 Max Age 计时器（ 20 s ）超时，从而导致已经收到的BPDU 报文失效，又接收不到根桥发送的新的 BPDU 报 文，从而得知上游出现故障。

3. 非根桥会互相发送配置 BPDU ，重新选举新的根桥。

4. 经过重新选举后， SW3 的 A 端口经过两个 Forward Delay （15 s ）时间恢复转发状态。

        • 非根桥会在 BPDU 老化之后开始根桥的重新选举。

        • 根桥故障会导致 50 s 左右的恢复时间。

2）直连链路故障恢复过程：

当交换机 SW2 网络稳定时检测到根端口的链路发生故障，则其 备用端口会经过两倍的Forward Delay （ 15s ）时间进入用户流量转发状态。

• SW2 检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。

• 直连链路故障，备用端口会经过 30s 后恢复转发状态。

3）非直连链路故障恢复过程：

• 非直连链路故障后， SW3 的备用端口恢复到转发状态，非直连故障会导致 50s 左右的恢复时间。

4、STP的基本配置命令：

1）配置生成树模式（华为缺省为MSTP）[Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp } ；

2）配置根桥：[Huawei] stp root primary；

        配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0 ，并且不能 更改设备优先级。

3）配置备份根桥：[Huawei] stp root secondary；

        配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096 ， 并且不能更改设备优先级。

[Huawei] stp priority priority；配置交换机的优先级（默认为32768）

[Huawei] stp pathcost-standard ；配置接口路径开销

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost ；这是指定接口的开销。

[Huawei-intf] stp priority ；配置接口优先级。

[Huawei] stp enable；启用协议。（缺省下默认启用）

<SW3> display stp brief；查看STP接口状态。

====================================================

三、RSTP（rapid spanning Tree Protocol，快速生成树协议）

1、RSTP相较于STP的改进

• 配置BPDU的处理发生变化：

        ▫ 拓扑稳定后，配置 BPDU 报文的发送方式进行了优化

        ▫ 使用更短的 BPDU 超时计时

        ▫ 对处理次等 BPDU 的方式进行了优化

• 配置BPDU 格式的改变，充分利用了 STP 协议报文中的 Flag 字段，明确了接口角色

1）端口角色的的改变：

RSTP 的接口角色共有 4种：根接口、指定接口、预备接口和备份接口以及边缘接口。

如果指定端口位于整个域的边缘，不再与任何交换设备连接，这种端口叫做边缘端口。

边缘端口一般与用户终端设备直接连接，可以由 Disabled 状态直接转到 Forwarding 状态。

2）端口状态的的改变：

• RSTP 的状态规范把原来的 5 种状态缩减为 3 种。

四、生成树技术进阶——MSTP（Multi-Service Transfer Platform，多生成树协议）

1、STP和RSTP的缺陷

        所有VLAN共享一棵生成树（会造成资源浪费）。

• MSTP 将 VLAN 映射到一个生成树的实例，若干个 VLAN可共用一棵生成树。例如：

        • 将偶数 VLAN 映射到实例 1

        • 将基数 VLAN 映射到实例 2

        • 网络中将只维护 2 棵生成树。

2、MSTP概述

• MSTP 把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。

• 每棵生成树叫做一个多生成树实例 MSTI （ Multiple Spanning Tree Instance ）。

• 所谓生成树实例就是多个 VLAN 的集合所对应的生成树。

• 通过将多个 VLAN 捆绑到一个实例，可以节省通信开销和资源占用率。

• MSTP 各个实例拓扑的计算相互独立，在这些实例上可以实现负载均衡。

• 可以把多个相同拓扑结构的 VLAN 映射到一个实例里，这些 VLAN 在接口上的转发状态取决于接口在对应实例的状态。

五、堆叠

六、Smart Link

▫ 在双向行的设备上部署，当网络正常时，两条上行链路中，一条处于活跃状态，而另一条则处于备份状态（不承载业务流量）。如此一来二层环路就此打破。

▫ 当主用链路发生故障后，流量会在毫秒级的时间内迅速 切换到备用链路上，保证了数据的正常转发。

▫ Smart Link 配置简单，便于用户操作。

▫ 无需协议报文交互，收敛速度及可靠性大大提升。