网络协议详解之STP

一、STP协议（生成树）

1.1 生成树协议核心知识点：

1.2 生成树协议与导致问题：

生成树含义：

1.3 802.1D

规则：

802.1D 缺点：

1.4 PVST cisco私有

1.5 PVST +

1.6 快速生成树

快速的原理：

1.7 MSTP/MST/802.1S

一、STP协议（生成树）

生成树协议是计算机网络中用于构建网络拓扑的一种协议。它的目标是在一个具有环路的网络中选择一棵无环的子图作为网络拓扑的表示，以保证数据在网络中的正常传输。

在实际应用中，常见的生成树协议包括STP（Spanning Tree Protocol）、RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）等。

1.1 生成树协议核心知识点：

网络拓扑：

网络拓扑是指计算机网络中各个节点之间连接关系的结构。生成树协议用于选择一棵无环的子图作为网络拓扑的表示。
生成树：

生成树是指一个无环的连通子图，它覆盖了网络中所有节点，并且保持了网络中节点之间的连通性。生成树协议通过选取某个节点作为根节点，并且通过交换信息来构建生成树。
根桥：

在生成树协议中，根桥是指生成树中被选为根节点的桥接设备。它负责生成树算法的执行和控制。
桥接设备：

桥接设备是指能够连接多个网络段的设备，比如交换机或者路由器。在生成树协议中，桥接设备通过交换信息来构建生成树，并且通过丢弃一些链路来避免环路。
BPDU：

BPDU（Bridge Protocol Data Unit）是在生成树协议中交换的数据单元。BPDU包含了生成树协议的相关信息，比如桥的优先级、桥的MAC地址等。
选举根桥：

在生成树协议中，需要选举一个桥作为根桥。根桥负责全局的生成树算法的执行和控制。
端口状态：

在生成树协议中，每个桥接设备的端口可以处于不同的状态，比如指定端口、根端口、替代端口等。这些状态决定了生成树中链路的使用情况。
状态转换：

生成树协议中，桥接设备的端口状态会随着网络拓扑的变化而发生转换。状态转换会触发生成树算法的重新计算。

它们共同构建了生成树协议的基本原理和功能。

1.2 生成树协议与导致问题：

企业网三层架构---》冗余----》线路冗余---》二层桥接环路

1、广播风暴

2、 MAC地址表翻滚 ---在一台交换机上，同一个MAC地址只能映射唯一的接口；但同一个接口可以映射多个不同的MAC地址；

3、同一数据帧的重复拷贝

4、以上3个条件最终导致设备工作过载，导致重启保护

生成树含义：

在一个二层交换网络中，生成一棵树型结构，逻辑的阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径；当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用；

生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星型结构，且最短路径树；

存在算法： 802.1D PVST PVST+(CISCO) RSTP(802.1w) MSTP(802.1S)一共五种算法

1.3 802.1D

一个交换网络内仅存在一棵生成树实例；

交换机间使用BPDU—桥协议数据单元 – 交换机间沟通互动收发的数据

配置BPDU—只有根网桥可以发送，在交换网络初始状态时，所有交换机均定义本地为根网桥，进行BPDU的发送；使得网络中所有交换机均收到其他设备的BPDU，之后基于数据中的参数进行比对，选举出根网桥；再所有非根网桥不再发送BPDU，而是仅接收和转发根网桥的BPDU；周期2s发送，hold time 20s；

TCN—拓扑变更消息（也是BPDU）：本地交换机链路故障后，STP重新收敛，为了快速刷新全网所有交换机的MAC表，将向本地所有STP接口发送TCN（标记位中的TCN位置1），邻居交换机收到TCN后，先标记为ACK位为回复，用于可靠传输消息；之后将TCN逐级转发到根网桥处，由根网桥回复TC消息来逐级回复到所有交换机；使所有交换机临时将MAC表的老化时间修改为15s（默认的，转发延时）

选举--- 根网桥根端口指定端口非指定端口（阻塞端口）

【1】根网桥 – 在一棵生成树实例中，有且仅有一台交换机为root；

BPDU中的桥ID来决定

桥ID= 网桥优先级（0-65535公有）默认32768 + MAC地址（只有存在svi接口的交换机才拥有mac地址，若存在多个mac选数值最小）

根网桥的选举先比较优先级，小优；若优先级相同，比较mac，数值小优；

【2】根端口—在每台非根网桥上，有且仅有一个接口；本地离根网桥最近的接口（最短、星型），接收来自根网桥的BPDU，转发用户的流量（该接口不阻塞）

规则：

1、比较从根网桥发出后，通过该接口进入时最小的cost值；

2、入向cost值相同，比较该接口对端设备的BID，小优

3、对端BID也相同，比较该接口对端设备的接口的PID；先优先级小，若优先级一致，编号小

4、连对端PID也相同，比较本地PID，小优；

PID=端口ID 接口优先级（0-240，步长16，默认128）接口编号

【3】指定端口，在每一段存在STP的物理链路上，有且仅有一个；转发来自根网桥的BPDU，同时可以转发用户流量（不阻塞）；默认根网桥上所有接口为指定端口；

1、比较从根网桥发出后，通过该接口进入这段链路时的cost值最小（出向）

2、若出向cost值相同，必须本地的BID，小优；

3、本地BID相同，比较本地的PID；

4、本地PID，相同，直接阻塞该端口；

【4】非指定端口（阻塞端口）当以上所有角色全部选举完成后，剩余没有任何角色的接口为非指定；

该接口逻辑阻塞，实际可以接收到信息，但不转发；

cost值：不同带宽存在不同cost

802.1d标准： 802.1T标准

10M = 100 1000M= 20000

100M=19 100M=200000

1000M=4

10000M=2

>100000M=1

[SWA]stp pathcost-standard ? 默认华为使用802.1t标准

dot1d-1998 IEEE 802.1D-1998

dot1t IEEE 802.1T

legacy Legacy

生成协议中，至少应该将根网桥干涉到汇聚层处；

接口状态：

down：没有BPDU收发，一旦可以进行BPDU收发进入下一状态

侦听：强制15s；所有交换机进行BPDU收发，选举所有角色；接口角色为非指定端口直接进入阻塞状态；

若为指定端口和根端口进入下一状态；

学习：强制15s；指定端口和根端口学习所有接口连接设备的MAC地址，生成MAC表；之后进入下一状态；

转发：指端端口和根端口进入，可以转发用户报文；

阻塞：逻辑阻塞；

注：只有到接口进入到转发状态后，才能为用户转发数据报文，之前的30s不能转发任何数据；

收敛时间：

初次收敛—30s = 15侦听+15s学习

结构变化：

存在直连检测：本地存在阻塞端口，若其他端口断开，该阻塞端口马上进入15是侦听（选举）；

结果若为启用，那么将再进入15s学习---总30s

没有直连检测：本地不存在阻塞端口，若某个端口断开，将发送次优BPDU（以本地为根）给其他邻居交换机，其他交换机无视该数据，进行20s hold time计时，到时时阻塞接口进入15s侦听，15s学习=总50s

802.1D 缺点：

1、收敛慢

2、链路利用率低

802.1配置命令：

[sw1]stp mode stp 修改为802.1d算法，当下华为默认为MSTP；

[sw1]stp priority 4096 修改网桥优先级

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? 修改接口cost值

INTEGER<1-200000000> Port path cost

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? 修改接口优先级

INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

1.4 PVST cisco私有

基于vlan的生成树协议

在每个vlan内，存在一棵树，每个树的工作原理同802.1d一致；不同vlan的BPDU区别在于优先级；

优先级=4096倍数+vlan id 人为仅可修改4096倍数备份，且只能修改为4096的整倍

仅支持 trunk干道封装为ISL（cisco私有封装）

1.5 PVST +

在PVST的基础，兼容802.1q的trunk封装；且设计了部分的加速；

端口加速（进入层连接用户的接口）上行链路加速-针对直连检测骨干加速—针对次优BPDU

上行链路加速仅在接入层设备上配置，因为配置后，该交换机将自动加大本地的网桥优先级；

在直连检测条件下阻塞接口将跳过30s，直接进入转发状态--上行链路加速

骨干加速所有交换机均可配置，针对接收到次优BPDU的阻塞端口可以跳过20s的hold time；

缺点：1、收敛慢（加速不彻底） 2、树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）

1.6 快速生成树

cisco的RSTP --- 基于vlan的快速生成树 - 一个vlan一棵树 pvst+的升级

公有RSTP（802.1w） --- 整个交换网络一棵树 802.1d的升级

快速的原理：

1、取消了计时器，而是在一个状态工作完成后，直接进入下一状态；

2、分段式同步，两台设备间逐级收敛；使用请求和同意标记；依赖标记位的第1和第6位

3、BPDU的保活为6s；hello time 2s；

4、将端口加速（边缘接口）、上行链路加速、骨干加速集成了

5、兼容802.1d和PVST，但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位，故不能快速收敛；因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛，那么其他开启快速收敛的设备也不能快速；

当tcn消息出现时，不需要等待根网桥的BPDU，就可以刷新本地的cam表；

切记:接口默认为半双工时，即便允许RSTP，依然基于慢速的802.1D算法来收敛；

[sw1]stp mode rstp

边缘接口---用于连接PC的接口，一旦被设定为边缘接口；将不再进行BPDU的发送，且不进行STP的收敛，直接为转发状态；但若该接口收到了对端的BPDU，将失去边缘特性，重新正常收敛；

[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable

[sw1]stp priority ? 修改网桥优先级

INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

[sw1]stp root ? 快速定义根网桥角色

primary Primary root switch

secondary Secondary root switch

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? 修改接口优先级

INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? 修改接口cost

INTEGER<1-200000000> Port path cost

1.7 MSTP/MST/802.1S

华为设备默认使用该协议

继承了快速生成树的基础；将多个vlan放置于一个组内，基于每个组一棵生成树；

不同组间的BPDU中优先级= 4096倍数+组号

[r1]stp mode mstp

默认存在组0，且所有vlan默认处于该组；优先级= 32768+0

分组

[sw1]stp enable

[sw1]stp region-configuration

[sw1-mst-region]region-name a 所有设备应在一个组内

[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5

[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10

[sw1-mst-region]active region-configuration 激活当前配置（必须配置该指令）

切记：若将创建某个组，但该组内的vlan，在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口；该组将没有任何信息；整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致；

定义本地为组1 的主根，组2 的备份根

stp instance 1 root primary 优先级修改为0

stp instance 2 root secondary 优先级修改为4096

[sw1]stp instance 1 priority ?

INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 cost ?

INTEGER<1-200000000> Port path cost

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 port priority ?

INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

思维导图：