生成树协议STP/RSTP/MSTP
1. STP（802.1D）
环路危害
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广播风暴
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STP主要作用
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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
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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
桥：交换机
桥的MAC地址：默认为端口编号最小的那个端口的MAC地址
桥 ID（BID）：由两部分组成，前 2 个字节是桥的优先级默认32768，后 6 个字节为这个桥的MAC地址
端口 ID （PID）：优先级+端口号，优先级默认128
BPDU：网桥协议数据单元
root-id ：表示根交换机是谁，使用最优的BID表示
cost ：表示发送该BPDU协议的交换机到达根交换的距离
BID ：表示发送该BPDU的交换机的名字
Port-id ：表示发送方交换机是在那个端口发送出来的，优先级+端口号，优先级默认128
1.1 STP树的生成过程
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选举根桥（Root）
不断交换STP协议帧，这些协议帧的载荷数据为 BPDU（网桥协议数据单元），STP交换机初始启动均认为自己是根桥，并在发送给别的交换机的 BPDU 中宣告自己是根桥，接收到 BPDU 后比较 BID（取小） ， 选举出一台 BID 最小的交换机作为根桥。
当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥
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确定根端口（RP），每个非根交换机选举一个根端口（负责接收监听根桥的 BPDU）
根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口，每个交换机最多只有一个根端口，根桥上没有根端口。
端口开销和端口的带宽有关，带宽越大，开销越小，STP认为接受数据没有开销。
累计根路径开销 RPC（Root Path Cost） 最小的端口为根端口 ，根据收到的 BPDU 报文再加上该端口本身的端口路径开销，即为累计根路径开销。
RPC 相同时，选择收到发送者（对端）BID 最小的端口为根端口，如果两个端口连接到同一台交换机上（即 BID 相同）则选择收到发送者（对端）PID最小的端口为根端口。
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确定指定端口（DP，转发 BPDU的端口），每个网段选举一个指定端口（根端口的对端一定是指定端口）
指定端口是交换机向所连网段转发配置 BPDU 的端口（抑制其他端口转发），每个交换网段有且只有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口。
同根端口选举，首先比较 RPC ，相同即比较 BID（本端），再是 PID（本端） 。
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阻塞备用端口（AP/BP，预备端口），阻塞非根、非指定端口
1.2 端口状态
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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。
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Learning：学习状态
在该状态下可以发送和接收BPDU包。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。该状态会维持一个forward delay（15S）的时间。超时后会过渡到forwarding状态。
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Listening：侦听状态
生成树选举的开始，端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量，用于选举设备角色和端口角色。该状态会维持一个forward delay（15S）的时间。超时后会过渡到learning状态。
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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。
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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shutdown,端口UP后会从disable过渡到listening状态。
| STP端口状态 | 端口状态对应的行为 |
|---|---|
| Disabled | 不转发用户流量，不学习MAC地址 |
| Blocking | |
| Listening | |
| Learning | 不转发用户流量，学习MAC地址 |
| Forwarding | 转发用户流量，学习MAC地址 |
BPDU的作用
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用于STP的选举（配置BPDU）
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维护STP状态
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通告拓扑改变，刷新MAC地址表（TCN BPDU）
1.3 STP缺陷
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收敛太慢，一般需要30s~50s的时间，才能恢复连通性
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端口角色偏少，如根端口DOWN掉后，需要从其他端口中重新选举根端口，没有对应的备份接口
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端口状态复杂，如前三种状态从用户使用角度对应行为是一样的，呈现不同状态，增加了使用难度
2. RSTP（802.1W）
2.1 RSTP的改进
端口角色
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预备端口AP：根端口的备份（当RP口挂了，马上成为RP口进行转发）
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选举 比较RPC，BID，PID
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备份端口（Backup port）：DP口的备份
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边缘端口（edge port）：连接终端的端口，此端口马上进入forwarding端口
端口状态
| STP端口状态 | RSTP端口状态 | 端口状态对应的行为 |
|---|---|---|
| Disabled | Discarding | 不转发用户流量，不学习MAC地址、 |
| Blocking | Discarding | |
| Listening | Discarding | |
| Learning | Learning | 不转发用户流量，学习MAC地址 |
| Forwarding | Forwarding | 转发用户流量，学习MAC地址 |
2.2 快速收敛机制P/A
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Proposal/Agreement机制，目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态
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指定端口通过与相连的网桥进行一次握手，快速进入转发状态
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P/A机制要求两台交换设备之间链路必须是点对点的全双工模式
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加入P/A确认机制后，就不再需要等待Forwarding Delay时间保证无环，协商一般秒级
2.3 拓扑变更优化
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发现非边缘端口状态改变，马上发送TC报文给所有交换机，收到TC报文的交换机清空MAC地址（STP要等到根桥确认后由根桥发送TC报文）
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其他设备收到TC报文的端口重复上述过程
2.4 BPDU优化
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拓扑稳定后，STP只能根桥每Hello Time时间（默认2s）发送配置BPDU，其他非根桥收到后再进行转发，此方式使得STP计算缓慢。RSTP中，拓扑稳定后，所有设备均主动周期性Hello Time发送BPDU
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更短的BPDU超时计时
如果一个端口连续3个Hello Time没有收到上游设备发送的BPDU，那么该设备认为与此邻居之间协商失败。而STP需要等待一个Max Age（20s）
2.5 BPDU保护功能
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在边缘端口新接入交换机，发送BPDU报文，引起其他交换机进行生成树计算，从而引起网络震荡
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BPDU保护原理：边缘端口收到BPDU报文后，立即关闭该端口，从而有效防止网络震荡
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缺省情况下，交换设备的BPDU保护功能处于关闭状态
2.6 BPDU报文过滤
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在access接口使用，如果在其他接口会形成环路
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如果应用在交换机与交换机的端口上，一个物理网段连接的两端都是指定端口，所以会形成环路
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不接收BPDU，也不发送BPDU
2.7 根桥保护
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在二层环形网络中接入一台优先级更高的交换机，其他交换机收到更优的RST BPDU报文后，会重新进行生成树计算，使得之前的根桥失去根地位，引起网络拓扑结构错误变动
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根桥保护功能只能在指定端口上配置（一般是在新交换机接入的那个交换机的指定端口上配置）
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启用根桥保护的指定端口收到更优的RST BPDU时，端口状态进入Discarding状态，不再转发报文。一段时间后，如果一直没有再收到更优的RST BPDU报文，端口会自动恢复到Forwarding状态
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缺省情况下，端口的根桥保护功能处于关闭状态
2.8 环路保护
由于系统资源导致的BPDU发送延迟，使对端在发送BPDU周期的3倍过后，会更改端口的角色，从而会影响STP转发路径，可能会导致环路，所以在对端的根端口或者根端口的替换端口上配置
2.9 TC-BPDU泛洪保护
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边缘端口接入PC，不断伪造和发送TC-BPDU，交换机收到后频繁的删除MAC地址表项会给设备造成很大的负担，给网络稳定带来很大隐患
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保护原理
在单位时间内，交换机处理TC报文并立即刷新转发表项的阈值，设备只会处理阈值指定的次数（默认单位时间为Hello Time=2s，立即处理一次）。对于其他超出阈值的TC报文，指定超时时间后设备只对其统一处理一次。这样可以避免频繁的删除MAC地址表项，从而达到保护设备的目的。
2.10 RSTP不足
所有VLAN共享一棵树，无法实现负载分担
3. MSTP（802.1S）
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具备RSTP的快速收敛机制
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基于实例(Instance)进行生成树计算，并能把VLAN映射到实例中，从而实现基于VLAN的数据分流
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生成树实例就是一个或多个VLAN的集合。一个VLAN只能映射到一个实例中
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每个实例单独进行STP计算，不同实例的根桥可以不同，同一个端口在不同的实例中的端口角色和状态可以不同
3.1 MST域
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MST域是多生成树域，由交换网络中的多台交换设备以及它们之间的网段所构成。同一个MST域的设备具有一下特征：
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都启动了MSTP
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具有相同的域名
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具有相同的VLAN到生成树实例映射配置
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具有相同的MSTP修订级别配置
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一个MST域内可以生成多棵生成树，每棵生成树都称为一个MSTI
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每个MSTI都有一个标识（MSTID）。默认所有VLAN映射到MST Instan 0，实例0强制存在。
3.2 IST/CST/CIST
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MSTI
每个实例中的生成树叫做MSTI生成树
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IST
内部生成树，是MST区域内的一颗生成树，是一个特殊的MSTI，实例0被称为IST。IST是CIST在MST域中的一个片段。
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CST
公共生成树，是连接交换网络内部的所有MST区域的一个生成树。如果将MST区域看作一个网桥，那么CST就是这些网桥通过STP或RSTP计算出来的一个生成树。
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CIST
公共内部生成树，IST和CST共同构成了整个网络的CIST，所有MST域的IST加上CST就构成一颗完整的生成树，即CIST。
3.3 MSTP端口角色
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总根
CIST的根桥
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Master桥
域内距离总根最近的交换设备
MSTP在RSTP的基础上新增了2中端口。MSTP端口角色共有7种：根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口、边缘端口、Master端口和域边缘端口。前面五种端口同RSTP
| 端口角色 | 说明 |
|---|---|
| Master端口 | Master桥上和总根相连的端口，即域边界距离总根最近的接口。 Master端口是域中的报文去往总根的必经之路 Master端口是特殊的域边缘端口，Master端口在IST/CIST上的角色是Root Port，在其他各实例上的角色都是Master端口 |
| 域边缘端口 | 位于MST域的边缘并连接其他MST域的设备的端口。Master端口一定是域边界端口，但是域边界端口不一定是Master端口 |
本文整理自超有趣虫虫老师网课
