11 STP基础

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。运行STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个接口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

二层环路带来的问题

STP（Spanning Tree Protocol）

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。且会通过报文监控网络的拓扑结构，正常情况下是将SW3上的一个接口进行阻塞（Block），从而打破环路，当监控到SW1与SW3之间出现链路故障则
恢复阻塞端口进入转发状态。

STP 基本概念

桥ID

在STP中，每一台交换机都有一个标示符，叫做Bridge ID或者桥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,可以修改但是修改值必须为4096的倍数。优先级最高的设备（数值越小越优先）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。

根桥

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）。根桥是一个STP交换网络中的“树根”,STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的“树根”。网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。

Cost

每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。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。

RPC

在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”,交换机某个接口到根桥的“成本”，也即RPC。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,在本例中，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。

Port ID

运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。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。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。

BPDU

为了计算生成树，交换机之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
中。BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置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。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。

BPDU报文格式

配置BPDU转发过程

端口角色

STP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链路发配置BPDU的端口，每个链路有且只有一个指定端口。一般情况下根桥的每个端口都是指定端口。
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协议的的交换机上最多只有一个根端口，但是根桥上没有根端口
如果一个端口既不是根端口也不是指定端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

STP工作流程

一.选举根桥

交换机在刚启动时都认为自己是根桥，互相发送配置BPDU进行STP运算，配置BPDU中包含自己的桥ID，当交换机收到来自其他设备的BPDU，会将BPDU中的根桥ID和自己的桥ID比较，最后根据拥有最小桥ID的交换机成功为根桥，其余的为非根桥，根桥的角色是可抢占的。如图三台交换机的桥优先级相同则比较MAC地址，SW1的MAC地址最小，则SW1为根桥

2.非根交换机选举出一个根接口

每一台非根交换机都会在自己的接口中选举出一个根接口，由根端口作为非根交换机和根交换机的报文交互的端口。在选举出根桥后，根桥还会不停的发送BPDU，而非根桥会不断的接受BPDU，根据不同端口接收到的BPDU来判断哪个最优，选举顺序具体如下:

一.RPC，越小越优

二.上行交换机的BID，越小越优

三.上行端口的PID，越小越优

四.本地交换机的PID，越小越优

3.在每条链路上选举一个指定端口

网络中的每个链路于根桥之间的工作路径必须是唯一且最优的。当一个链路中有两条及以上的路径通往根桥时，与该链路相连的交换机就必须选出唯一的指定端口。根接口选举出来以后，非根桥会使用其在该接口收到的最优BPDU进行计算，让将计算出来的配置BPDU与除了根接口之外的所有其他接口所受到的BPDU进行比较，比较更优着成为指定接口，选举过程：

一.RPC

二.BID

三.PID

4.非指定接口阻塞

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操作的最后一步就是阻塞网络网络中的非指定接口。这一步完成后，二层环路就此消除

练习

SW1为根桥，SW2的1口为根接口，2口为指定接口，SW3的1口为根端口，2口为非指定端口

SW1为根桥，SW2的1口为根接口，2口为指定接口，SW2的2口为根接口,1口为指定接口，SW3的1口为根接口，2口为非指定接口

STP接口状态及其状态迁移

Disable: 禁用状态，端口既不处理和转发BPDUB报文，也不转发用户流量

Blocking:阻塞状态。端口仅仅能接受并处理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

Listening:侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。

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状态是为防止临时环路。

Forwarding:转发状态。端口既可以转发用户流量也可以转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态

一.接口初始化或激活，自动进入阻塞状态

二.接口被选举为根接口或指定接口，自动进入侦听状态

三.转发延迟计时器超时且接口依然为根接口或指定接口

四.接口不再是根接口或指定接口或指定状态

五.接口被禁用或或者链路失效

STP故障

根桥故障

SW1发送故障时，SW2和SW3在超过MAX Age（20秒）没有收到根桥的配置BPDU，则会认为自己是根桥，重新进行选举，端口侦听和学习状态的时间分别为15秒，总计30秒完成端口收敛，加上端口状态转换时间，所以当SW1根桥出现故障，总共需要50秒才能再恢复网络

直连故障

当两台交换机间用两条链路互连时，其中一条是主用链路，另一条为备用链路。当网络稳定时，交换机SW2检测到根端口的链路发生故障（端口状态变为Down），则其备用端口会进入用户流量转发状态。

端口状态变化过程：

备用端口会从Blocking状态，迁移到Listening-Learning-Forwarding状态。收敛时间：直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态。

非直连链路故障

在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。若SW1与SW2之间的链路发生了某种故障（非物理故障），因此SW2一直收不到来自根桥SW1的BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20 s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效。此时，非根桥SW2会认为根桥失效，并且认为自己是根桥，从而发送自己的配置BPDU给SW3，通知SW3自己是新的根桥。SW3收到SW2发来的非最优的BPDU，会将从SW1收到的最优的BPDU转发给SW2。因此，SW2发现SW3发来的BPDU更优，就放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。

端口状态：

SW3预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。非物理链路故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

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，SW2中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机A，通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机B。由于SW3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SW2后，SW2会继续通过端口GigabitEthernet0/0/3转发该数据帧。

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：

一.SW3感知到网络拓扑发送变化后，回不间断地向SW2发送TCN BPDU报文

二.SW2收到SW3发来地TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中flags的TCA为设置为1，然后发送给SW3，告知SW3停止发送TCN BPDU报文

三.SW2向根桥转发TCN BPDU报文

四.SW1把配置BPDU中的flags的TC位设置位1后发送，通过下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300s修改位Forward Delay的时间（默认为15s）

五.最终等待15秒后，SW2中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SW2就能重新开始MAC表项的学习及转发操作

边缘端口

开启了STP功能的交换机，连接了PC终端后，连接终端的接口也需要经过五种端口状态（30秒），在此期间无法正常通信，将连接PC终端的接口设置为边缘端口即可，当接口激活后直接为FORWARDING状态

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。

命令：

[接口视图]stp edged enable

边缘端口保护机制

如果误操作将边缘端口和交换机相连，交换机发出BPDU报文，边缘端口接受到了BPDU报文会立马失去边缘端口的特性，设置了边缘端口保护后，如果边缘端口接受到了BPDU报文，则关闭端口（防止误操作导致网络震荡）,一般边缘端口和边缘端口保护结合使用

命令:

[系统视图]stp bpdu-protection