生成树协议STP

生成树协议STP

1.1 STP介绍

​局域网中的物理环路通常有两种产生原因。一种是基于可靠性的考虑，为交换机直接提供冗余连接；另一种是由于错误的网络设置导致环路的产生。如果不对网络拓扑加以管理，以上两种情况均会导致严重的后果，如广播风暴和MAC地址学习错误等。

​局域网中存在物理环路，说明环内的每一台设备和另一台设备之间至少存在两条路径，但是设备不能随意选择阻塞某条路径，这样可能会造成网络中断。用户可以通过在设备间遵循一些准则或协议，来明确由哪台设备阻塞链路，阻塞哪些链路，从而达到消除环路的目的。STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）就是这些协议中的一种。

​STP在IEEE制定的802.1D标准中定义，用于在局域网中消除数据链路层环路。STP可以通过计算动态地阻断冗余链路，而当活动链路发生故障时，STP又可以激活冗余链路，恢复网络的连通，避免网络中断。STP消除链路层环路的基本思想是：将网络拓扑修剪为树形拓扑，而树形拓扑是不存在环路的。

​运行STP的设备之间会交互一些信息，然后通过计算实现拓扑的收敛，具体内容如下：

（1）运行STP的设备依据一定的准则选举一个树根节点作为网络中的根桥，其他节点为非树根节点。

（2）每一个非树根节点，会选择最优的路径和根桥相连，非树根节点上位于最优路径的端口。为该节点的根端口。

（3）如果网络中存在冗余链路，则阻塞冗余链路。

每一个非树根节点都进行同样的计算，最终网络中任何两台设备之间都只有一条路径可达，从而形成一颗无环的树。

​当拓扑发生变化时，节点重新进行计算，收敛为新的树形拓扑。

1.2 STP基本概念

1.2.1 桥和端口的角色

如图1-1所示，STP中有两种特殊的网桥：根桥（Root Bridge）和指定桥（Designate Bridge）。根桥是整个生成树的根节点，由所有网桥中优先级最高的桥担任。指定桥是负责一个Physical Segment（物理段）上数据转发任务的桥，由这个Physical Segment上优先级最高的桥担任。

图1-1 桥和端口的角色

​网桥上的端口有不同的角色，包括根端口（Root Port）、指定端口（Designate Port）和候补端口（Alternate Port）。

​根端口指网桥上距离根桥最近的端口，根桥没有根端口，每一个非根桥有且存在一个根端口。

​指定端口指Physical Segment上属于指定桥的端口。根桥是所有网桥中优先级最高的，它在其所连接的所有Physical Segment上都是指定桥，所以通常情况下根桥的所有端口都是指定端口。

​Alternate端口指既不是根端口也不是指定端口的端口，它用来为根端口或指定端口做备份。从Alternate端口发出到达根桥的路径，是网桥到达根桥的备用路径，即最终需要阻塞的路径。

​网络处于稳定状态时，根端口和指定端口处于转发状态，Alternate端口处于阻塞状态。阻塞Alternate端口，就消除了网络中的环路。

1.2.2 桥ID

​STP中每一个网桥都具有一个桥ID（Bridge ID），用于在网络中唯一标识一个桥。根桥选择的依据就是桥ID，具有最小ID的网桥即为网络中的根桥。

​如表1-1所示，桥ID包含桥优先级字段和桥MAC地址两部分，长度为8B。其中，桥优先级位于桥ID中的高16为，而桥MAC地址位于桥优先级的低48位。因为MAC地址在网络中是唯一的，所以能够保证桥ID在网络中也是唯一的。

桥优先级	桥MAC地址
2B	6B

表1-1 桥ID

​在进行桥ID的比较时，先比较优先级，优先级数值小者位为优；在优先级相同的情况下，在比较MAC地址，MAC地址小者为优。例如有两个网桥A和B，桥ID分别为4096.00-1C-FC-CA-0A-43和8192.00-1C-FC-CA-0A-44，则网桥A的优先级高于网桥B.

​当网桥没有配置优先级时，使用默认优先级32768，此时，具有最小MAC地址的网桥即为网络中的根桥。

1.2.3 路径开销

​非根桥需要确定根端口，根端口的选择取决于端口到达根桥距离的远近，网桥上到达根桥距离最近的端口为根端口。衡量距离远近，依据的是路径开销（Path Cost）。

路径开销用于衡量桥与桥之间路径的优劣。STP中每条链路都具有开销值，默认的链路开销值取决于所遵循的路径开销标准以及链路的带宽。路径开销等于整个路径上全部开销的和。

​IEEE802.1D和802.1t定义了不同速率和工作模式下的以太网链路开销，H3C则根据实际的网络运行状况优化了开销的数值定义，制定了私有标准。各种链路开销标准如表1-2所示。

链路速率	双工状态	802.1D-1998	802.1t	H3C私有标准
0	—	65535	200000000	200000
10Mbps	Single Port	100	2000000	2000
10Mpbs	Aggregated Link 2 Ports	100	1000000	1800
10Mpbs	Aggregated Link 3 Ports	100	666666	1600
10Mpbs	Aggregated Link 4 Ports	100	500000	1400
100Mbps	Single Port	19	200000	200
100Mbps	Aggregated Link 2 Ports	19	100000	180
100Mbps	Aggregated Link 3 Ports	19	66666	160
100Mbps	Aggregated Link 4 Ports	19	50000	140
1000Mbps	Single Port	4	20000	20
1000Mbps	Aggregated Link 2 Ports	4	10000	18
1000Mbps	Aggregated Link 3 Ports	4	6666	16
1000Mbps	Aggregated Link 4 Ports	4	5000	14
10Gbps	Single Port	2	2000	2
10Gbps	Aggregated Link 2 Ports	2	1000	1
10Gbps	Aggregated Link 3 Ports	2	666	1
10Gbps	Aggregated Link 4 Ports	2	500	1

表1-2 链路开销标准

1.2.4 BPDU

​STP使用BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元）来交互协议信息，BPDU分为两类。

（1）配置BPDU（Configuration BPDU）：用来进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文。

（2）TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）：当拓扑结构改变时，用来通知相关设备网络拓扑结构发生变化的报文。

​网桥之间通过交互配置BPDU来进行根桥的选举以及端口角色的确定。配置BPDU基于二层组播方式发送，目的地址为01-80-C2-00-00-00。

​如图1-2所示，配置BPDU由根桥从指定端口周期性发出，发送周期为Hello Time。非根桥从根端口接收配置BPDU，进行更新并从指定端口将其发送出去。网络中只有根桥会产生配置BPDU，非根桥只对配置BPDU进行中继，不会自行生成配置BPDU。没有运行STP协议的网桥把配置BPDU当作普通数据帧转发。

图1-2 配置BPDU

​网桥上的每个端口都会保存本端口接收到的最优配置BPDU，端口保存的配置BPDU信息老化时间为Max Age，当在Max Age时间内配置BPDU信息没有得到更新时，端口将清除保存的配置BPDU信息。

​配置BPDU信息包含目的MAC地址、源MAC地址、帧长、逻辑链路头以及载荷等。载荷中包含了STP计算所需要的信息，主要包括如下内容。

（1）Root ID：根桥ID，用于表示网络中的根桥。

（2）Root Path Cost(RPC)：根路径开销，指从发送该配置BPDU的网桥到根桥的最小路径开销，即最短路径上所有链路开销的代数和。

（3）Bridge ID：发送该配置BPDU的网桥ID，即该Physical Segment 的指定桥的ID

（4）Port ID：发送该配置BPDU的网桥的发送端口ID。Port ID值由端口优先级和端口索引值组合而成。该端口即为Physical Segment的指定端口。

​网桥在进行STP计算时，需要比较以上信息，通常这些信息使用向量形式来表示，称为优先级向量。即

优先级向量={RootBridgeID:RootPathCost:DesignateBridgeID:DesignatePortID:BridgePortID}其中，BridgePortID（接收端口ID）为本地信息，不包含在配置BPDU中。

载荷中的其他信息介绍如下。

（1）Protocol ID：固定值为0x0000，表示是生成树（Spanning Tree）协议。

（2）Protocol Version ID：协议版本号，目前生成树有3个版本，STP版本号为0x00。

（3）BPDU Type：配置BPDU类型为0x00，TCN BPDU类型为0x80。

（4）Flags：由8位组成。最低为（0）为TC（Topology Change）标志位，最高位（7位）位TCA（Topology Change Acknowledge）标志位；其他6位保留。

（5）Message Age：从根桥生成配置BPDU开始，到当前时间为止配置BPDU的存活时间。

（6）Max Age：配置BPDU存活的最大时间。

（7）Hello Time：根桥生成配置BPDU的周期，默认时间为2s。

（8）Forward Delay：配置BPDU传播到全网的最大时延，默认为15s。

1.3 STP计算过程

1.3.1 STP计算步骤

​STP的计算过程主要包含两个任务：选举根桥和确定端口角色。在实际计算过程中，这两个任务是同步计算完成的，便于理解，本例中将其分为逻辑上的两个计算过程分别进行介绍。如图1-3所示。

图1-3 STP计算步骤

​本例假设网络中有4个网桥，其中S1桥ID为0.MACA，S2桥ID为8192.MACB，S3桥ID为32678，MACC桥ID为4096.MACD。

​网桥之间的链路带宽以及开销如表1-3所示

连接设备	链路带宽	链路开销
S1-S2	100Mbps	200
S1-S3	2x1Gbps聚合链路	18
S2-S3	1Gbps	20
S2-S4	1Gbps	20
s3-S4	100Mbps	200

表1-3 网桥之间的链路带宽以及链路开销

表中，链路开销采用H3C私有标准。

​进行STP计算时，网桥将各个端口收到的配置BPDU和自己的配置BPDU作比较，得出优先级最高的配置BPDU；网桥用优先级最高的配置BPDU更新本身的配置BPDU，用于选举根桥和确定端口角色；网桥从指定端口发送新的配置BPDU。

​比较配置BPDU时依据优先级向量最小者为最优的原则。当网桥比较配置BPDU时，遵循的比较步骤如下：

（1）首先比较优先级向量中的Root Bridge ID，Bridge ID小者为优。

（2）如果Root Bridge ID相同则比较RPC(根路径开销)，RPC小者为优。

（3）如果RPC相同则比较Designate Bridge ID，Designate Bridge ID小者为优。

（4）如果Designate Bridge ID相同则比较Designate Port ID，Designate Port ID小者为优。

（5）如果上述参数都相同，则比较接收该配置BPDU的Bridge Port ID，Bridge Port ID小者为优。

1.3.2 根桥选举

​如图1-4所示，在初始状态时，每一个网桥都还没有接收到其他网桥发送的配置BPDU，此时每个网桥都认为自己是网络中的根桥，，并将向外发送以自己为根桥的配置BPDU。

图1-4 根桥选举的初始阶段

​S1发送的配置BPDU中优先级向量为{0.MACA:0:0.MACA}，S2发送的配置BPDU中优先级向量为{8192.MACB:0:8192.MACB}，S3发送的配置BPDU中优先级向量为{32768.MACC:0:32768.MACC}，S4发送的配置BPDU中优先级向量为{4096.MACD:0:4096.MACD}。此处忽略端口ID信息。

​由于根桥的选举只需要比较Root Bridge ID，所以在后续的根桥选举说明中，只保留优先级向量中的Root Bridge ID参数。

​由于此时每个网桥都认为自身是根桥，所以每个网桥都会发送配置BPDU，同时也会收到对端网桥发送的配置BPDU。每一个网桥都将自身认为的Root Bridge ID较小的作为网络中的根桥。

​S1收到S2和S3发过来的配置BPDU，比较Root Bridge ID，得出0.MACA<8192.MACB<32768.MACC，则S1的Root Bridge ID较小，S1仍然保留自身的优先级向量{0.MACA}。

​S2收到了S1、S3和S4的配置BPDU，比较Root Bridge ID，得出0.MACA<4096.MACD<8192.MACB<32768.MACC，S1的Root Bridge ID最小，S2将使用S1发过来的配置BPDU更新自身的配置BPDU。S2的优先级向量更新为{0.MACA}。

​S3的情况与S2情况相近，不再赘诉。S3的优先级向量同样更新为{0.MACA}。

​S4仅收到S2和S3的配置BPDU，经比较，得出4096.MAC4<8192.MACB<32768.MACC，S4仍然认为自己的Root Bridge ID是最小的，S4仍然保留自己的优先级向量{4096.MACD}。

​从图1-5中可以看出，此时，S1、S2和S3达成一致，认为S1为网络中的根桥，而S4仍然认为自己是根桥。

图1-5 根桥选举的第一阶段

​经过Hello Time后，S1会再次发送配置BPDU，S2和S3接收S1的配置BPDU，经过更新发出配置BPDU，其中Root Bridge ID为0.MACA。此时S2和S3不会再向连接S1的端口发出配置BPDU

​同时S4仍然发送Root Bridge ID为4096.MACD的配置BPDU。

​S4在这个周期收到了S2和S3发送的配置BPDU。其中Root Bridge ID为0.MACA，都比自身的Root Bridge ID小，因此S4将使用接收到的配置BPDU更新自身的配置BPDU。S4的向量优先级更新为{0.MACA}。

​到此为止，图1-6中S1、S2、S3和S4全部达成一致，认为S1为网络中的根桥，根桥选举过程结束。

图1-6 根桥选举最终结果

1.3.3 确定端口角色

​端口角色的确定分为根端口确定、指定端口确定和Alternate端口确定3个工作。

​根端口的确定需要比较RPC。当网桥从一个端口接收到配置BPDU后，首先获取其中的RPC，和接收端口的链路开销相加，得到此端口的RPC，每个收到配置BPDU的端口都进行同样的计算。然后比较各端口的RPC，拥有最小RPC值的端口即为本网桥的根端口。

​指定端口的确定需要比较端口发送的配置BPDU和接收的配置BPDU，如果发送的配置BPDU优于接收到的配置BPDU，表明端口在本Physical Segment上拥有最优的配置BPDU，则该端口为指定端口。

​在实际计算过程中，端口角色的确定是同步完成的。

1.3.4 STP计算结果

​其他网桥经过相同的判断，可以确定每个端口的角色，具体结果如下：

（1）S1为根桥，S1的配置BPDU在每个端口所属的局域网网段上都是最优的，所以S1的所有端口都是指定端口。

（2）S3连接S1的端口为根端口，其余端口为指定端口。

（3）S4连接S2的端口为根端口，连接S3的端口为Alternate端口。

​经过STP计算，阻塞了S2连接S1的端口以及S4连接S3的端口，使得网络拓扑形成无环的树形拓扑。阻塞的端口并非Down，如果拓扑发生变化，这些端口可以转变为转发状态，从而提高网络的可靠性。

​在网络稳定运行时，根桥以Hello Time时间为间隔，周期发送配置BPDU，其他网桥接收到配置BPDU，经过更新从指定端口发出新的配置BPDU。非根桥不会主动生成并发送配置BPDU。

1.3.5 等路径开销计算

​在实际应用中，经常会存在链路带宽相同的网络，此时就需要比较优先级向量中的Designate Bridge ID(指定桥ID)、Designate Port ID，特殊情况下还需要比较接收端口的Bridge Port ID。

1.3.6 接收到低优先级配置BPDU时的处理

​在STP稳定运行期间，根桥以Hello Time为周期发送配置BPDU，其他网桥从根端口接收配置BPDU，经过更新从指定端口发送出去，每个网桥都进行同样的动作直到配置BPDU传播到网络中的每一个角落。

​通常，非根桥不会主动发送配置BPDU，但是存在一种例外情况。当网桥在指定端口收到一个低优先级的配置BPDU时，网桥会立即回应一个配置BPDU，这样可以保证新加入的网桥尽快地确认根桥和端口角色，使得网络快速实现收敛。

​网桥可以立即回应配置BPDU是因为网桥都会保存当前最优的配置BPDU，该配置BPDU的生存期为Max Age。当配置BPDU生存期超时后，网桥会重新认为自身是网络中的根桥，发送以自身为根的配置BPDU。

1.4 STP端口状态

​网络拓扑收敛为一颗无环的树是通过网桥之间交互配置BPDU并进行计算而得到的。STP计算收敛需要一定的时间，当网络拓扑发生变化时，最优的配置BPDU需要经过一定的延时才能传播到整个网络，在所有网桥都收到最优配置BPDU之前可能存在临时环路。

​STP定义了5中端口状态：Disabled、Blocking、Listening、Learning和Forwarding。其中Listening和Learning状态为中间状态，为避免临时环路，当端口处在中间状态时，端口不能接收和发送数据。

​STP各端口状态对配置BPDU收发、MAC地址学习以及数据转发的处理 有所不同，其总结如表1-4所示。

STP端口状态	是否发送配置BPDU	是否进行MAC地址学习	是否收发数据
Disabled	否	否	否
Blocking	否	否	否
Listening	是	否	否
Learning	是	是	否
Forwarding	是	是	是

表1-4 STP各端口状态对配置BPDU收发、MAC地址学习以及数据转发的处理

​端口在中间状态停留时长为Forward Delay，默认为15s，Forward Delay是STP计算中非常重要的参数，它是根据Hello Time以及网络的直径综合计算得到的，用于确保配置BPDU有足够的时间传播到网络中的每一个角落，使得网络实现收敛。

​在Listening状态，经过Forward Delay时长的配置BPDU交互，可以确保各网桥完成端口角色的确定，通过阻塞Alternate端口，即可防止临时环路的产生；在Learning状态，经过Forward Delay时长，可以确保各网桥有足够的时间进行MAC地址学习，尽量减少由未知单播造成的广播。

​如图1-7所示，当端口为Down时，端口处于STP定义的Disabled状态，当端口UP后，经过初始化会首先进入Blocking状态。由于端口在STP计算初期均会认为自己是指定端口，所以端口直接从Blocking状态进入第一个中间状态Listening。

图1-7 STP端口状态机

​在Listening状态期间，端口通过交互配置BPDU，完成角色的确认，在此期间端口不进行MAC地址学习，也不能收发数据。如果端口最终被选为Alternate端口，端口会重新回到Blocking状态。如果端口角色为根端口或指定端口，当Forward Delay时间过去后，端口进入Learning状态。

​在Learning状态期间，根端口和指定端口进行MAC地址学习，但仍然不进行数据的收发。如果端口在Learning状态期间重新被选为Alternate端口，则端口会回到Blocking状态，如果端口在Learning状态期间维持根端口、指定端口角色不变，则当Forward Delay时间过去后，端口会进入Forwarding状态。

​在Forwarding状态，根端口和指定端口开始收发数据。之后，如果端口被重新选择为Alternate端口，端口会直接回到Blocking状态。

​在Blocking、Listening和Forwarding状态，如果端口Down，则端口直接回到Disabled状态。

1.5 STP拓扑改变处理过程

​当发生网桥故障、链路中断、新网桥加入等事件时，网络拓扑会发生变化，需要一段时间重新实现收敛。

​STP拓扑改变的处理过程如下：

（1）网桥感知到拓扑变化，产生TCN BPDU并从根端口发出，通知根桥。

（2）如果上游网桥不是根桥，则上游网桥会将下一个要发送的配置BPDU中的TCA位置位，作为收到的TCN的确认，发送给下游网桥。

（3）上游网桥从根端口发送TCN BPDU。

（4）重复第（2）步和第（3）步，直到根桥收到TCN BPDU。

（5）根桥收到TCN BPDU后，会将下一个要发送的配置BPDU中的TCA位置位，作为对收到TCN的确认，根桥还会将该配置BPDU中的TC位置位，用于通知网络中的所有网桥网络拓扑发生变化了变化。

（6）根桥在之后的Max Age+Forward Delay时间内，将发送配置的BPDU中的TC置位，当网桥收到根桥发送的TC置位的BPDU后，会将自身的MAC地址老化时间由300s缩短为Forward Delay。

​网桥发送TCN BPDU的周期位Hello Time，即当网桥发送TCN BPDU后，如果Hello Time时间内没有收到TCA置位的配置BPDU，则网桥会重复发送TCN BPDU。如果网桥在Hello Time时间内收到TCA置位的配置BPDU，则网桥停止从根端口发送TCN BPDU。

TCN BPDU有如下两个产生的条件。

（1）网桥上有端口转变为Forwarding状态，且该网桥至少包含一个指定端口。
（2）网桥上有端口从Forwarding状态或Learning状态转变为Blocking状态。

​当上述两个条件之一满足时，就说明网络拓扑发生了变化，网桥需要使用TCN BPDU通知根桥。根桥可以通过配置BPDU中的对应标志位置位来通知所有网桥网络拓扑发生了变化，需要使用较短的MAC地址老化时间，保证拓扑的快速收敛。

​上游网桥收到下游网桥发送的TCN BPDU后，会将下一个发送的配置BPDU中的TCA标志位置位，表示对TCN BPDU的确认。

​根桥收到TCN BPDU后，会在将来一段时间将发送的配置BPDU中的TC置位，用于通知所有网桥网络拓扑发生变化。

1.6 STP协议的不足

​STP为了避免临时环路的产生，每一个端口在确认位根端口或指定端口后仍然需要等待30s的时间才能进入转发状态。在此30s时间内，端口不能进行数据的转发，这对于一些对时延敏感的应用是不可接受的。

​此外，对于拓扑不稳定的网络，经常需要重新进行STP计算，某些端口可能会长期处于阻塞状态而导致网络长时间的中断。

​STP定义了TCN BPDU，可以使得网络拓扑变化时，在50s之内实现收敛。

​TCN BPDU产生的条件之一是网桥有端口转变为Forwarding状态，且该网桥至少包含一个指定端口。

​当网络中有大量的用户主机时，由于用户主机位置不固定，可能会频繁地上下线，这样会使得交换机频繁发送TCN BPDU，导致网桥MAC地址老化时间长期保持为15s。MAC地址频繁的刷新会导致网络充斥大量由未知单播造成的广播报文，严重影响网络中的应用。