HCNA Routing&Switching之STP端口状态、计时器以及拓扑变化

　　前文我们了解了STP选举规则相关话题，回顾请参考https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/15131999.html；今天我们来聊一聊STP的端口状态、计时器、端口状态转换以及拓扑变化相关话题；

　　STP端口状态

　　提示：STP的端口有5个状态，分别是disabled、blocking、listening、learning、forwarding；默认情况下，一个物理的交换机上的同VLAN下的所有端口都参与STP；其中Disabled是指未接线的端口；我们可以理解未激活的端口，它不接收和转发BPDU，也不学习mac地址和转发数据，是一种稳定的状态；Blocking状态是指端口激活了，通过STP选举以后未被选举成为根端口或指定端口的端口状态；该状态下的端口只接收BPDU，不转发BPDU，同时也不学习mac和转发数据，是一种稳定的状态；listening状态是disabled或blocking状态的端口向forwarding状态转换的一个过渡状态；该状态的端口只接收和转发BPDU，并不学习mac和转发数据，是一种非稳定状态；learning是从listening状态的端口向forward状态过渡的状态；该状态端口会接收和转发BPDU，同时也会学习mac，但不转发数据，是一种非稳定状态；Forwarding是STP稳定以后，除开预备端口和未激活的端口的状态；该状态下的端口可以正常接收和转发BPDU，同时也可以正常学习mac和转发数据，是稳定状态；

　　实验：如下实验拓扑，更改交换机stp模式为stp，然后看看交换机的各端口状态变化

　　验证：在s1上查看各端口状态

　　提示：在华为的交换机上我们是看不到blocking和listening这两种状态，其原因是华为交换机显示是以rstp和mstp为主，对于stp来说disabled、blocking、listening这三种状态被打包为discarding状态；

　　STP计时器

　　从上面的拓扑中，我们任意链路上抓一个STP包

　　提示：hello time字段用来表示根桥多久发送一次BPDU，默认情况是2秒一次；forward delay用来表示从learning状态到forwarding状态的延迟时长，默认15秒；max age表示预备端口最长多久没收到BPDU包的存活时长，默认20秒；

　　提示：预备端口从阻塞状态到转发状态，首先预备端口要等待max age超时以后，才会进入到listening，从listening到learning中间会间隔15秒；从learning到forwarding中间会间隔15秒，所以一个预备端口从阻塞状态转变为转发状态，最长时间需要50秒；

　　message age：该字段用于表示BPDU消息年龄，默认从根桥发送出来的BPDU为0，当BPDU每经过一个交换机，maessage age会加1，当交换机收到的BPDU中message age大于max age时，该交换机会丢弃该BPDU；

　　验证：在根桥上转包，看看message age是否为0？

　　提示：可以看到，从上述的实验拓扑中，s1（根桥）上抓包抓到的BPDU中message age为0；

　　验证：如下拓扑，在非根桥（s6）抓包，看看对应message age是多少呢？

　　分析：从s1发送的BPDU中message age 为0，当BPUD从S1的eth0/0/2口发送出来，经过S3从eth0/0/3转发出去，对应的message age会加1，所以从s3转发出去的BPUD，message age为1；同样的道理当s3的eth0/0/3转发出来的BPDU，在s4接收以后再从s4口的eth0/0/2转发出去，对应的message age也会再加1，所以从s4转发出去的BPDU中message age就为2，依次类推到达s6的BPDU中message age 的值就应该为3；

　　验证：在s6上转包，看看对应的BPDU中message age是否是3呢？

　　提示：其实这个message age我们可以理解为从根出发，中间经历多少个交换机；从上面的实验可以看到一般二层链路上的交换机不宜串联太多，超过20个会导致stp无法正常工作；

　　STP端口状态转换

　　提示：当端口初始化或从开启时，对应端口的状态会从disabled状态转换为blocking状态；如果端口被选举成为根端口或指定端口时，对应状态会从blocking开始转换--->listening，经过15秒---->learning，经过15秒----->forwarding；如果端口不再是根端口或指定端口，对应端口会从当前状态立刻转变为blocking状态；如果forward delay计时器超时，对应端口会从当前状态转换为下一个状态，比如从listening转换为learning；从learning转换为forwarding状态；如果端口被禁用或链路失效，则对应端口会从当前端口状态立刻变为disabled状态；

　　验证交换机端口状态

　　提示：默认情况下，只会显示两种稳定状态，第一种是forwarding状态，一种是预备端口的阻塞状态；disabled这种稳定状态需要手动去看对应端口才会显示；

　　查看disabled状态的端口

　　提示：只要显示锁disabled port，说明该端口为激活，或者我们可以理解为参与stp，但状态为disabled状态；

　　STP拓扑变化

　　1、根桥故障

　　提示：根桥故障会导致直连根桥的交换机对应的链路挂掉，此时对于非根桥就会收不到根桥的BPDU，理论上来讲，非根交换机对应的端口收不到BPDU，最大等待20秒（默认max age为20秒），然后就会触发对应端口发送自己的BPDU，进行根桥的选举；根桥选举各交换机上的端口都会转变为discarding状态，然后持续15秒从discarding状态转变为learning状态，这个状态也会持续15秒；然后从learning状态转变为forwarding状态；这个状态对于stp来说是一个稳定状态，对应端口才可以正常转发数据包；通过上述的描述，如果根桥故障最长需要50秒对应二层网络才能恢复；

　　2、直连链路故障

　　提示：直连故障是相对于有预备端口的交换机来说的；对应的交换机是能够感知到故障的发生，此时对应的端口会从forwarding状态转换为discarding状态；再从discarding状态转变为learning状态，然后持续15秒；最后从lerarning状态转变为forwarding状态，此状态也会持续15秒，然后开始转发数据；这也就告诉我们直连故障最短也需要等待30秒对应网络才能正常使用；

　　3、非直连链路故障

　　提示：非直连链路故障也是相对于有预备端口的交换机来说的，这种故障对于有预备端口的交换机是感知不到的，所以理论上来讲，预备端口需要等待20秒的时间，然后才从blocking转变为discarding状态，然后持续15秒，再转换为learnging,然后再持续15秒，再从learning状态转变为forwarding状态；也就是说非直连链路故障最长也需要等待50秒；

　　从上述的描述不难想象，不管是根桥故障还是直连链路或非直连链路故障，对于stp来说只要有故障，最短需要等待30秒，对应网络才能正常使用；

　　拓扑变化导致mac地址表错误

　　如上图所示，主机A和主机B通讯，在链路都正常的情况下主机A和主机B通讯，对于交换机B来说，它学习到的mac地址表示aa在3口，bb在一口；如果此时交换机c的g0/0/1口坏了；那么对于主机A和主机B的通讯最长也需要等待50秒，最短需要等待30秒对应stp链路才会正常被切换成功；此时我们想一个问题，但stp链路切换成功以后，对于交换机B来说，它的mac地址表并没有老化（默认老化时间是300秒），当它收到aa向bb通信的数据包，回包时它还是会将数据包从1口转发出去；这也就造成了，stp链路切换成功，但对应交换机mac地址表并没有更新，导致mac地址表错误的指向；这会直接影响主机A和主机B通讯；为了解决这个问题，stp里加入了另一种类型BPDU，TCN；

　　提示：TCN是（topology change notification）拓扑变化通知；下游交换机一旦检测到拓扑变化，向上游发送的拓扑变化通知，上游交换机收到TCN后回应TCA（topology change acknowledgment）进行确认，然后下游交换机停止发送TCN；上游交换机通过根端口转发TCN直到根桥收到，根桥通过指定端口发送TC通知所有下游交换机把MAC地址表记录老化时间从300秒变为15秒；以便让交换机的mac地址表更快的老化，实现对应stp链路切换，对应mac地址表也随之更新；