STP(Spanning Tree Protocol) (IEEE 802.1D) 生成树协议
·在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障，所谓单点失效，指的是由于网络中某一台设备的故障，而影响整个网络的通信。为了避免单点失效，提高网络的可靠性，可以通过构建一个冗余拓扑来解决。但是，一个冗余的拓扑，又会给我们的网络造成环路，而产生其它的影响。为了解决二层环路问题，而设计了SPT协议。
·当2个Segment之间，只有一个物理设备连接时，就有可能 "单点失效"。
·Segment:(段的概念)
1.STP：一段网络介质(网线/光纤)。
2.数据封装：携带4层报头的用户数据。
3.路由：一个逻辑子网。
·避免单点失效的方法就是构 造冗余 网络。
·但冗余网络会导致新的问题：
1.多帧复制
2.MAC地址表的翻动
3.广播风暴
·STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
STP通过判断网络中存在环路的地方，并阻断冗余链路来实现无环网络。
·STP采用STA（Spanning Tree Arithmetic）算法。
STA会在冗余链路中选择一个参考点（生成树的根），将选择到达要的单条路径，同时阻断其他冗余路径。一旦已选路径失效，将启用其他路径。
BPDU（Bridge Protocol Data Unit)
·STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的，BPDU是直接封装在以太网帧中的。
·对于参与STP的所有SW，它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息，这种消息就被称为BPDU。
·BPDU是直接封装在二层的协议，其MAC地址最后封装数为：00。（01:80:c2:00:00:00）
·BPDU的功能：
1.选举根桥
2.确定冗余路径的位置
3.通过阻塞特定端口来避免环路
4.通告网络的拓扑变更
5.监控生成树的状态
·BPDU每2S由 发送一次。
最初的网络，每个SW都认为自己是根桥，都会发送BPDU，比较Lowest BID，选举出一个根桥，当根桥选出来以后。此时就只有根桥发送BPDU。非根桥只进行转发。
BPDU分两种类型：
1、配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出，包括了STP参数，用于进行各种选举。
2、TCN（topology change notification 拓扑变更通告）BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。
·配置BPDU包含以下的字段
1、Protocol ID : 固定为0
2、Version : 802.1D (0)
3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
4、Flags
5、Root ID
6、Cost of Path
7、Bridge ID
8、Port ID
9、Message age
10、Max age
11、Hellotime
12、Forward delay
·TCN（Topology Change Notification) BPDU
这种BPDU是交换机检测到拓扑变更时产生的。只包含下列三个字段
1、Protocol ID
2、Version
3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
＜STP的4大工作流程＞ （ STP里选举参数都是越小越优）
- One root bridge per network
- One root port per nonroot bridge
- One designated port per segment
- Nondesignated ports are blocked
- ·根桥的选举： Lowest BID （最小的BID）
- ·STP为每台SW分配唯一的一个标识符，称为BID（Bridge ID ）。
- BID的组成：2（Bridge Priority优先级）＋6（MAC）＝8 Bytes
- 默认Priority：32768（0x8000）
- 2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号，因为CISCO默认启用PVST
- 每个交换机都有一个基准的MAC地址，用下面的命令可以看到
- Sw2# show version
- : 00:0D:28:61:35:00
- 交换机的每一个端口都有一个MAC地址，就是以Base（基准） MAC地址加上端口号得到的。
- Show interface f0/1 这一命令可以看到交换机端口的MAC地址
- 查看STP信息--
- Sw2#show spanning-tree
- Sw3# show spanning-tree brief(低版本用)2900以下的交换机用这一命令
- Cisco SW 默认为每个VLAN生成一个STP，互不影响。
- 由于是为不同的VLAN生成不同的生成树。所以每一台交换机需要为不同的VLAN生成一个不同的桥优先级，所以在CISCO交换机上，交换机在每一个VLAN中的优先级是默认的32768再加上VLAN的号码。
可通过以下命令指定一台交换要为根桥：
Sw1(config)# spanning-tree vlan 1-10 root primary （24576=0x6000) (建立优先级，成为根桥)
Sw2(config)# spanning-tree vlan 1-10 root secondary (28672=0x7000) (备份根桥，防止优先级根桥showdown了)
Sw1(config)# spanning-tree vlan 1-10 priority 4096
（设置必须是4096的倍数）
- ·根端口（RP）：每个非根桥有且只有一个根端口
- 选举RP/DP的方法：
- 1.Lowest RID(最小的RID) 是SW1（根桥）的BID
- 2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
- 3.lowest sender BID (最小的发送BID)
- 4.Lowest sender port ID 当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选
- ·Path Cost:根桥发出的COST值是0，在下一交换机的入口处才加上COST值，出口处COST值不变。
- 10Mbps：100/ 100Mbps：19/ 1Gbps：4/ 10Gbps：2
- Sw1#show interfaces status
- Sw1#show spanning-tree
- Sw1(config-if)# spanning-tree (vlan 1) cost 22 每个VLAN都能生成一个自已的生成树，通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根端口，产生不同的生成树，充分利用了链路
- Sw1(config-if)#spanning-tree cost 22 修改所有Vlan的Cost值
- Port ID是由优先级+端口号组成
- 修改端口优先级：默认情况下是128
- Sw1(config-if)# spanning-tree port-priority 16 注意：必须是16的倍数才行
- 选举RP/DP的方法：
- 1.Lowest RID(最小的RID) 是SW1（根桥）的BID
- 2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
- 3.lowest sender BID (最小的发送BID)
- 4.Lowest sender port ID
- ·根桥的所有端口都是指定端口（DP）。
- ·最后，既不是根端口，又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口，这些端口将被block掉。从而达到防环的目的。
当网络出现故障导致拓朴发生变化时，生成树要进行收敛，在收敛过程中，一个block接口变到forward状态时会经历以下四种状态变化。
生成树端口状态：
1、blocking--阻塞状态，不转发帧，监听流入的BPDU，不学习MAC地址
2、listening--监听状态，不转发帧，不学习MAC地址，能够决定端口角色
3、learning--学习状态，不转发帧，能学习MAC地址
4、forwarding--转发状态，能够进行正常的帧转发
当拓扑发生变化时，端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S
如果是直连接口down掉，端口状态过渡最大需要30S
如果是非直连故障，最大需要50S
注意：在网络拓朴发生改变后，不仅会有STP的收敛，还会导致二层MAC地址表的收敛。
·当发生如下事件时，SW会发送TCN：
1.链路故障（FWD -> BLK）
2.端口进入转发状态，并且SW已经拥有DP
3.非根桥从它的DP接收到TCN，并将其转发
MAC地址表的收敛过程如下：
1、拓扑发生改变的交换机向RP端口发出TCN的BPDU
2、上级交换机做两件事：先回应一个TCA置位的BPDU，再继续向自已的RP接口发出TCN的BPDU
3、TCN的BPDU就这样一跳跳的传到根交换机上
4、然后根交换机将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为转发延迟时间(15S)。
5、根交换机再向网络中发出TC置位的BPDU
6、网络中的其他交换机收到TC置位的BPDU后，也将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为15S。
这样，每台交换机就快速的老化了MAC地址表，清除掉了已经失效的MAC地址条目。
三个计时器：
·Message Age：最大存活时间（20S）
Hello Time:根桥连续发送BPDU的间隔（2S）
Forward Time:SW在监听和学习状态所停留的时间（15S）
spanning-tree vlan 1-10 hello-time 3 修改发送BPDU的时间间隔
spanning-tree vlan 1-10 forward-time 13 修改forward时间
spanning-tree vlan 1-10 max-age 33 修改最大存活时间
注意：必须在根桥上修改，否则不起作用。
1．老化时间（blocking）（loss of BPDU detected）max age=20s
2. 监听时间（listening）forward delay=15s
3．学习时间（learning）forward delay=15s
监听BPDU 学习MAC 帧转发
Blocking √ × ×
Listening √ × ×（选举Root/RP/DP）
Learning √ √ ×
Forwarding √ √ √
·CISCO交换机上，在采用802.1Q的Trunk中，SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
（PVST）
·对于不支持802.1Q的SW，所有VLAN维护一个STP。(SSTP)
·在交换网络中，STP是始终运行的，如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。
Per VLAN Spanning Tree
优点：1.基于Vlan的负载均衡；
缺点：1.BPDU是基于Vlan 的基础上运行的；
·802.1D STP设计初衷：网络中断后能够在1分钟之内(Max=50S)恢复。
伴随着LAN出现3层交换，很多的路由协议（OSPF/EIGRP）都能在几秒之内收敛。
·Cisco为加快收敛时间，提出了一些 私有的优化特性 来加速STP的收敛：
1、PortFast
2、UpLinkFast
3、BackboneFast
能够让2层的 接入端 口(接host)跳过LIS/LRN状态立即进入FWD。30S->0S
基于接口，用于接非交换机接口，不要设置在接SW的端口。
Sw1#show spanning-tree
Type: Edge [Shr/P2p]
测试：把交换机的端口shut down，再no shut down,观察状态。启用前和启有后是不一样的。
Sw1(config)#spanning-tree portfast default （所有接口启用）全局下用
一般用在接入层的交换机上。
Sw1(config-if)#spanning-tree portfast 接口下单独启用
Sw1(config-if)#spanning-tree portfast disable (某个口禁用，通常是连接另一台交换机的口）
在接入层SW上配置，用于检测直连到分布层SW的链路故障，并加速STP的收敛速度。
也可以在分布层交换机上配置，用于检测直连到核心层交换机的链路故障
30S->0S
Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast
（Uplinkfast是一个全局命令，将影响SW上的所有VLAN）
Debug spanning-tree events
测试：将有效链路口shut，原来BLK口立即转发，
· Uplinkfast将网桥PRI 49152，将端口Cost 3000
使SW不能成为Root。所以一般配置在接入层SW。
Sw2#show spanning-tree
........ Uplinkfast enabled
Sw2#show spanning-tree uplinkfast 可以看到哪些接口成为备份
Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast （每秒所发包的数目，默认值150）
BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。用于检测主干SW间的链路故障。（50S -> 30S）
·要求BackboneFast应用在 上。
当交换机检测到次级BPDU后，将使用替代路径发送RLQ BPDU（根链路查询BPDU），RLQ BPDU通过中间交换机向根交换机传播，并且根交换机将最终响应。
Sw1（config）#spanning-tree backbonefast
Sw1#show spanning-tree backbonefast 可以查看RLQ消息和次级BPDU
