HCIA STP的端口状态与BPDU

一、前言

前面我们研究了STP原理：

https://blog.csdn.net/weixin_40402375/article/details/127353633

先回顾一下根桥、根端口、指定端口的选举依据。

根网桥选举依据：

1）先看优先级

2）优先级一样看MAC地址

3）相对较小的是根网桥

这里BID其实就是交换机的优先级+交换机MAC地址

 

根端口，指的是非根网桥（交换机）所有端口中，距离根网桥最近的端口，选举依据有：

1）路径开销，就是端口的带宽，带宽越大开销越小，端口总开销的计算是“将根桥到达端口前所有’入’端口开销加起来”，这里只计算入口不计算出口，总开销较小的就是根端口。我们使用的交换机端口默认开销都是200000，这个可以通过display stp查询。

2）对端BID，如果开销一致，则比较对端的BID（也就是CIST Bridge的值），值较小的就是根端口。

3）对端PID，如果BID也一样就比较对端的PID，PID指的是Port ID，由端口优先级（默认128）+端口号组成。

4）本端PID，如果对端PID也一样，那就比较本端的PID，较小的就是根端口了。

 

指定端口，指的是链路上的两个端口中，距离根网桥最近的端口，选举依据有：

1）路径开销，链路上两个端口中路径开销最小的就是指定端口

2）交换机BID，路径开销一样时，链路上两个端口所在交换机BID较小的是指定端口

3）端口PID，BID也一样时，则比较端口的PID，较小的是指定端口

 

阻塞端口，一个端口如果既非根端口又非指定端口，那就是阻塞端口了。

 

综上，我们可以发现所有选举的依据其实就是：

1）BID：交换机优先级（默认32768）+交换机MAC地址

2）PID：端口优先级（默认128）+端口号

3）路径开销：与端口带宽相关的一个值，带宽越大值越小

 

二、BPDU报文

报文内容如下图所示，标红的部分就是与选举有关的字段，可以看到它囊括了BID、PID、路径开销，足够我们来实现STP协议了。

 

 

三、选举过程与端口状态

1．初始关机状态

我们可以假设网络互联的交换机都已配置好了STP，并且现在都是关机状态。

 

 

2．选举

现在同时启动四台交换机，由于他们都配置了STP，所以STP协议开始发挥作用。

由STP的机制可知，一开始所有交换机都认为自己是“根桥”，他们会将BPDU报文中的Root Identifier字段设置为自己的BID并向网络中其他交换机发自己的BPDU，具体怎么发的不知道，但是我们知道网络中所有交换机都能收到其他交换机的BPDU就行了。

如下图应当是交换机启动时各端口向隔壁发BPDU的情况。

 

 

交换机收到其他BPDU后就比较Root Identifier字段中的BID与自己的BID，如果发现自己的BID比较大，那就将BPDU中Root Identifier替换这个较小的BID并向隔壁的交换机继续发。向下图这样应当就是各交换机通过BPDU最终收集到的信息，包括了根桥BID、对端BID、对端PID、本端BID、本端PID，依据这些信息就可以选举出根桥、根端口、指定端口。

 

 

3．端口状态与时间阈值

交换机自然不是一启动就完成了根桥和各端口的选举，他必然是有一个过程的，从启动交换机到端口选举再到MAC学习整个过程如下：

1）交换机启动，启动后所有端口默认进入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。端口会在这种状态下停留10秒钟时间。很自然的，交换机刚启动需要预留10秒钟时间来等待自身稳定。10秒钟的Disabled结束后，交换机会先进入Blocking：阻塞状态，并持续20秒钟时间。不知道为啥需要这20秒。

2）选举根桥和各端口，交换机接着进入Listening：侦听状态，端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。在默认情况下，该端口会状在这种态下停留15秒钟的时间。很明显这时候网络中的交换机通过交换BPDU来获取必要信息并选举出根桥、根端口、指定端口和非根非指定端口（也就是需要阻塞的那个）。

3）学习MAC地址，选好根桥和各端口后进入Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量默认情况下，端口会在这种状态下停留15秒钟时间。

4）转发流量，学习好MAC地址后端口就进入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。

5）阻塞端口，那么非根端口和非指定端口，就再次进入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。

 

四、网络变化与收敛时间

如下图，我们有这样一个拓扑的网络，我已经根据前面的计算方式把根桥、根端口、指定端口、阻塞端口都标出来，并在交换机上逐一确认过标注是对的。

 

 

假如我们现在把LSW2与LSW3中间的链路拔掉，根据规则LSW3的E0/0/1会成为根端口，但其端口需要经过“Listening：侦听状态和Learning：学习状态”这两个状态，也就是需要最少30秒才能完成稳定。

现在考虑另一个场景，假如网络中接入另一台交换机LSW5，他上电开机后，一般会影响到两连的两个交换机，但假如其优先级比别人都小一点（比如改成4096而别人都是32768），然后我们把这个交换机上电后再接入到网络中。

 

 

很明显网络需要重新选举根桥、根端口、指定端口等，但根据我实际观察只有一部分端口受到影响，会逐步经历Blocking：阻塞状态、Listening：侦听状态、Learning：学习状态这三个阶段，也就是至少需要50秒网络才能真正稳定。

这30秒和50秒也就是STP的收敛时间。

 

五、回顾

总的来说，STP使用BPDU这个报文来传递各种信息，包括BID、PID、路径开销等，交换机收集到各种信息后“选举”出根桥、根端口、指定端口，最后将非根非指定端口阻塞，这个过程会经历Disabled：禁用状态（10秒）、Blocking：阻塞状态（20秒）、Listening：侦听状态（15秒）、Learning：学习状态（15秒），最后根端口和指定端口进入Forwarding：转发状态，非根非指定端口进入Blocking：阻塞状态。

我们将端口进入稳定状态需要的时间称为收敛时间，不同的网络变动可能需要的收敛时间不一样，主要有30秒和50秒两种。