HCNA Routing&Switching之STP基础

　　前文我们了解了VLAN动态注册协议GVRP相关话题，回顾请参考https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/15113770.html；今天我们来讨论下二层环路和STP相关话题；

　　我们知道网络设备之间产生环路是很正常的，但为了通信质量，通常我们也要避免环路；对于三层网络，产生环路并不是很严重，因为我们有动态的路由协议可以防止环路，当然即便管理员手动配置静态路由形成环路，但最终数据包会停下来（因为三层ip协议有TTL字段可以让数据包最终停下来）；对于二层网络来说，一旦产生环路，那将是致命的（其原因是二层环路一旦产生，数据包在环路里停不下来），严重的话可以瞬间将整个二层网络的链路带宽跑满，从而导致整个网络不可用；所以二层环路我们无论如何都要避免；为了提高网络可靠性，通常情况交换网络中会使用冗余链路，然而冗余链路最最直接的后果就是给交换网络带来环路的风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而影响到用户的通信质量。为了解决二层环路所带来的风险，stp协议诞生了；stp主要作用就是通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路，同时当活动链路发生故障时，激活冗余链路及时恢复网络连通性，从而实现网络的可靠性；

　　二层网络设计需求和问题

　　提示：上图是一个小型网络的拓扑图，通常为了网络的可靠性，汇聚层，核心层都会放置两个及两个以上的交换机，并且两两相俩（主要作用就是做高可用检测对方是否存活）；接入层上联汇聚层会有至少两条链路，这样一来接入层的交换机就和汇聚层的交换机可能形成环路；比如上图红色和蓝色链路就是环路；

　　二层环路问题--->广播风暴

　　实验：如下拓扑图，我们用pc发送一个arp广播，看看在二层环路里会发生什么？

　　提示：默认情况华为的交换机是开启了STP，为了演示出效果，我们需要先把各个交换机的STP关掉；

　　关掉各交换机的STP

　　命令：stp disable

　　提示：S2，S3，都是一样的操作；

　　用pc ping同网段任意地址然后抓arp的包，看看会发生什么？

　　提示：可以看到我们用pc发了5个icmp包，而我们在链路上瞬间抓到了几千个arp包；这就是因为二层有环路产生，导致arp广播一直在环路里打圈停不下来；要想让里面的数据包停下来，要么在开启任意一台设备的STP，或者断掉任意一条链路，破坏环路；

　　在S2上开启STP

　　提示：可以看到当我们在S2上开启STP以后，对应数据包就停了下来；这里需要注意这里开启STP是阻断了ARP广播数据一直在环路打转，是因为初始化STP时会将对应端口阻塞掉；但是并不意味着环路就此被破坏了；一旦当STP稳定以后，还有数据包进来，数据包还会在环路里打转；

　　验证：现在用pc再次发送arp广播，看看抓包是否还会抓到很多？

　　提示：可以看到现在pc发送一个arp广播，在链路上还是会抓到很多arp广播包，这说明开启S2单台设备的STP并不能破坏环路；

　　开启S1的STP，看看对应环路是否能被破坏呢？

　　现在再次用pc发送arp广播，看看对应是否还会抓到很多arp包呢？

　　提示：可以看到现在用pc发送arp广播，在链路上还是会有很多arp包，说明环路还是存在，并没有被破坏；

　　开启S3的STP，看看环路是否被破坏?

　　用pc发送arp广播，看看是否还会抓到很多arp广播包呢？

　　提示：可以看到当s3开启STP以后，再次使用pc发送arp广播，对应抓包就没有像之前那样几百个arp包，说明环路被破坏了；从上述的实验可以看到，一旦二层网络里发生环路，数据包是停不了的；我们只有认为手动破除环路，或者通过开启STP破除环路；通常情况下所有设备都开启STP才能真正有效的破环环路，所以二层网络里如果有不支持STP的交换机，我们在接线时一点要注意不要产生环路；

　　二层环路问题--->MAC地址表震荡

　　还是上述实验拓扑，我们把三个交换机的STP都关掉，然后用pc发送arp广播，然后查看S1或S2或S3的mac地址表，看看对应mac地址表会有什么变化？

　　用PC发送arp广播

　　查看S1的mac地址表

　　提示：可以看到同一个MAC在S1上一会在1口学习到，一会在2口学习到；这是因为pc发送的arp广播会从1口和2口泛洪出去，在S2和S3收到arp广播以后，又会从对应的其他接口泛洪出去，这样一来，从s1的1口泛洪出去的arp广播，最终会从s1的2口收到；2口泛洪出去的arp广播又会从1口收到，所以对于s1来说pc的mac就会一会从1口学习到，一会又从2口学习到；这样一来s1的mac地址表就很不稳定；对于s2和s3也是同样的现象；通过上述的实验，我们可以看到二层环路一旦产生，就会有广播风暴和mac地址震荡；

　　STP：Spanning Tree Protocol，生成树协议；主要通过构造“一棵树”来消除交换网络中的环路；同时当活动链路发生故障，激活备份链路，从而实现网络的可靠性；

　　BPDU：Bridge Protocol Data Unit －桥协议数据单元，STP工作协议；

　　提示：STP通过各交换机发送的BPDU来完成根桥，根端口，指定端口和阻塞端口的选举，从而实现破除环路；

　　BPDU数据包结构及各字段解释

　　提示：STP有三个模式，默认华为交换机使用的是mstp；我们可以通过stp mode stp更改stp模式为原生stp模式；对于STP来说，其bpdu结构如上；相信很多字段都能看懂；这里说一下bpdu的类型这个字段（BPDU Type）和BPDU flag字段；

　　在STP的BPDU中，BPDU的类型主要有两种，一种是configuration，一种是TCN（Topology Change Notification）；configuration类型的BPDU主要用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STP过程中，每个交换机都会主动发送这种类型的BPDU；当网络拓扑稳定以后，只有根桥会主动发送这种类型的的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。发送周期为Hello Time，默认是2秒发送一次；老化时间为Max Age，默认是20秒；TCN类型的BPDU，主要作用是当网络拓扑发生变化时，下游交换机向上游交换机发送拓扑变化通知；默认情况，在configuration类型的BPDU包里，BPDU flag字段中，TCA和TC都是0，只有收到TCN以后，对应标志位才会置为1；

　　提示：BID主要用来表示二层网络中的交换机，主要由两部分组成，优先级和mac地址；优先级取值范围为0-65535，步长4096，数字越低越优先；默认优先级为32768；

　　提示：PID主要用来标识端口的，也是由优先级和对应端口的编号组成（这个编号和端口名称没有直接的关系，默认都是一个顺序编号），优先级取值范围为0-255，步长为16，数字越小越优先，默认值为128；

　　提示：路径开销用来描述链路优劣，数字越小表示链路开销越低，即链路就越优；这个路径开销和链路带宽有直接的关系；上述是98年标准和更早的标准；不同的链路对应开销各不相同；

　　提示：根路径开销是指到达根桥的最短路径的开销；数字越小，表示链路越优；rpc的计算方式是沿途各链路pc总和；上图中假设sw1为根桥，那么sw2到达根桥的开销就需要看对应链路是多大带宽了，如果是100M根据98年标准，则开销为19；那么sw3到达sw1的开销就为sw2到达sw1的路径开销+sw3到达sw2的路径开销；sw3到达sw2的链路带宽为10M，所以对应的开销为100，所以sw3到达sw1的开销就为19+100=119；

　　附图：各速率链路开销标准

　　提示：华为默认使用802.1t标准；多条相同速率的链路聚合会增大链路速率降低链路开销;