STP生成树协议基础

1、生成树技术背景

交换机单线路上联，存在单点故障，上行线路及设备都不具备冗余性，一旦链路或上行设备发生故障，业务将会中断。为了使得网络更加健壮、更具有冗余性，将拓扑修改为如下图所示。接入层交换机采用双链路上联到两台汇聚设备，构成一个物理链路冗余的二层环境，解决了单链路及单设备故障问题。

但是这样也带来了一个大问题，就是二层物理环境存在环路。

二层环路的危害是严重的，有可能会导致广播风暴、多帧复制、MAC地址漂移等等多种问题。即使不是人为搭建冗余的物理环境而导致的环路，网络也有可能因为种种原因出现二层环路引发的故障，那么有没有什么办法解决环路的问题呢？生成树（Spanning-tree）协议就是用于解决这个问题的。

2、环路带来的问题 – 广播风暴

•网络中如若存在二层环路，一旦出现广播数据帧，这些数据帧帧将被交换机不断进行泛洪，从而在网络中造成广播风暴。

•广播风暴对网络的危害是非常大的，将严重消耗设备资源及网络带宽，最终导致网络瘫痪，是需要格外注意的问题。

1.PC发送数据帧给Server；

2.SW3的MAC地址表中没有匹配目的MAC的表项，于是将数据帧进行泛洪；

3.SW1及SW2都会收到这个数据帧并学习源MAC，同时将数据帧进一步泛洪；SW1及SW2又从自己另一个接口收到这个数据帧，于是MAC表又一次发生改变，如此往复。

3、Spanning-tree的基本概念

•通过在交换网络中部署生成树（Spanning-tree）技术，能够防止网络中出现二层环路。STP运行后，如果网络中存在环路，那么STP通过阻塞（Block）特定的接口从而打破环路，并且在网络出现拓扑变更时及时收敛，以保证网络的冗余性。

4、Spanning-tree的基本概念（当网络出现故障）

当拓扑发生变更的时候，生成树协议能够探测到这些变化，并且及时自动的调整接口状态，从而适应网络拓扑的变化，实现链路冗余。

5、生成树协议

5.1 stp选举规则

1.每个交换网络选举一个根桥（Root Bridge）；

2.每个非根桥上选举一个根端口（Root Port）；

3.每个段选举一个指定端口（Designated Port）；

4.阻塞非指定端口（NonDesignated Port）。

5.2 BPDU报文

•STP的正常工作依赖于BPDU报文的泛洪（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）。

STP需要网络设备相互交换消息来检测桥接环路，该消息称为网桥协议数据单元BPDU。STP之所以能够良好的工作并构建一个无环的网络，是依赖于BPDU报文的泛洪，并根据报文中相关字段计算的结果。要理解STP的工作过程，非常重要的一点是要理解BPDU中各字段的含义，因为这些都是STP赖以工作的根本。

5.3 配置BPDU中的重要参数

比较次序：Root Identifier > Root Path Cost> Bridge Identifier>Port Identifier

值越小越优先

5.4 Bridge ID

•桥ID（Bridge ID）是交换机的STP标示符，一共8个字节，由2个字节的优先级和6个字节的MAC地址构成：

•桥优先级缺省为32768，可以手工修改。

•MAC地址为交换机的背板MAC。

•网络中Bridge ID最小的交换机将成为根桥。

5.5 Path Cost

•路径开销是一个端口量，是STP/RSTP协议用于选择链路的参考值。

•端口路径开销的默认值及取值范围由选定的路径开销算法决定，路径开销与端口的带宽成反比。

•华为网络设备支持的路径开销计算标准：802.1d-1998、802.1t、legacy等。

5.6 Port ID

•端口ID （2字节）= 端口优先级（1字节）+ 端口编号（1字节）

•缺省优先级128，范围0-255，越小越优。

6.选举过程

下面以一个实例进行说明：

从上图中可以看到，运行了生成树算法之后，S4选择阻塞F0/0，S5选择阻塞F0/2，应该是看到非根桥转发的BPDU后做的选择

6.1 非根桥转发的BPDU:

传统生成树中只有根桥才能产生配置BPDU，非根桥只是转发根桥产生的BPDU。试想一下如果仅仅只是转发根桥的BPDU，不对BPDU做任何更改，就像转发常规数据帧一样。这样的话S4和S5怎么判断阻塞的端口，又凭啥要阻塞我的端口。这就引出了关键点——非根桥转发的BPDU。

可以看出非根桥转发根桥BPDU时做了如下修改：

1.根路径开销

2.发送者网桥ID

3.端口标识

通过三个步骤来分解S4和S5阻塞端口的过程。

l第一步：S2和S3看到的BPDU：

S2和S3看到报文后，发现自己的MAC地址不如人家，就放弃竞选根桥了，只好去选根端口了，只要接收不到更小的BID，那我就赶紧定下来根端口，报文中的根路径开销决定了S2和S3的根端口。

第二步：S4看到的BPDU：

当S4看到BPDU后发现自己和根桥的ID比，根本不如人家，那我只好来定夺根端口了，S2告诉我到S1的开销是19，S3告诉我到S1的开销也是19，当然是选择S2的那条路了，S3这条路只能堵上了。

网桥ID决定了S4的根端口，路径开销决定了阻塞端口

第三步：S5看到的BPDU：

当S5看到图中的BPDU后也没什么想法了，MAC地址比根桥的大太多了，只好选根端口了。S5的F0/3和F0/2收到S4发来的BPDU报文里唯一的不同只有端口ID，那就只有比较端口ID了，哪个端口接收到的端口ID大就阻塞该端口。

端口ID决定了S5的根端口，路径开销决定了阻塞端口。

7、STP的端口状态

8、故障处理

但线路出现故障，断开的端口被激活，恢复通信，起备份线路的作用

交换机开机需要等待30秒时间开始转发数据

当某个正在使用的链路断掉，阻塞的端口需要50秒时间开始转发数据

好啦，这就是STP协议的基础知识，至于更深的知识，之后在慢慢摸索吧~