超详细的--STP理论

前言

为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路，然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树STP（Spanning Tree Protocol ) 可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

二层网络设计需求和问题：

为了提高可靠性，交换机之间会通过多条链路相连，从而避免单点故障
但同时会带来一些灾难性的环路问题。

环路问题：

广播风暴

MAC地址表产生震荡

在广播风暴的同时，MAC地址表也一直在变换，

如下图的信息提示，MAC地址对应的接口发生了震荡，从2口变到了1口。

STP

STP: Spanning Tree Protocol, 生成树协议，提供两大功能：

消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路，就可以消除刚刚上面碰到的问题
链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连通性。

STP 操作

：通过构造一棵树来消除网络中的环路。（ STP发明于80年代，那时候的网桥就是现在的交换机）

STP选举

STP选举是以各自发送BPDU数据包中的字段来相互比较来决定谁是根桥。

BPDU：Bridge Protocol Data Unit – 桥协议数据单元（STP工作协议）

使用组播： 01-80-C2-00-00-00 （可以记忆一下，面试小细节）
BPDU包含桥ID，路径开销，端口ID，计时器等参数。

BPDU类型：

配置BPDU:
- 选举根交换机以及确定每个交换机端口的角色和状态
- 在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。
- 在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送BPDU，其它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
- 老化时间为MAX-Age
ensp 默认开启 MSTP

拓扑变更通告BPDU-TCN BPDU
- 下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变换通知

Topology Change 拓扑变化

BPDU字段详解

字段中重要且用于根桥选举的4个字段：

桥ID： BID - Bridge ID
- 用于在STP中唯一标识一个交换机，由两部分组成：
  - 桥优先级：高16位
  - 桥MAC地址：低48位
端口ID ： PID - port ID
- 用于在STP中唯一标识一个交换机上的端口，由两部分组成：
  - 端口优先级：高8位
  - 端口编号：低8位

路径开销：Path Cost
- 路径开销用于衡量桥与桥之间路径的优劣，越低越好
- STP中每条链路都具有开销值
两个标准下的开销值：（802.1D-1998 标准是 98年的标准，所以它的开销是较小的，随着技术的跟进，带宽逐渐增大，所以 标准也会与时俱进的）
- 根路径开销：Root Path Cost
  - 确定到达根桥的最短路径，并生成无环树状网络
  - 到根桥的路径上所有的路径开销之和

STP中端口的角色

根端口：去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据。在一个运行STP协议的设备上根端口有且只有一个，根桥上没有根端口。

根端口保证了交换机与根桥之间工作路径的唯一性和最优性。
指定端口：

向下行网桥转发BPDU的端口。

根桥上的所有端口均为指定端口。
阻塞端口：非根端口和非指定端口的其余端口被会进行逻辑上的阻塞，只能接受根桥发送来的STP协议数据帧。

STP选举过程

根桥选举

每一台交换机启动STP后，都认为自己是根桥
BID 最小的成为根桥（先比较优先级，再比较MAC）

根端口选举

是在一个非根交换机上选根端口 注意是在一个（它自己）！！！！！
非根交换机在选择根端口时分别根据该端口的
- 根路径开销 | 比
- 对端BID | 较
- 对端PID | 方
- 本端PID V 向

以刚刚的拓扑为例：我们已经知道LSW3是根桥，先根据规则来判断选举出哪些口是根端口。

根桥上（LSW3) 上的端口都为指定端口
先看LSW1 , 交换机上有两个口，一个是G0/0/1,一个是G0/0/2，在它们之中选出根端口
首先比较它们端口的根路径：

同理算出LSW2的G0/0/3口也为根端口，验证查看

指定端口选举

非根交换机在选择指定端口时分别根据该端口的
- 根路径开销 | 比较
- 本端BID | 方
- 本端PID V 向

指定端口的责任是向下行路由器发送BPDU
现在要从LSW2和LSW1中的G0/0/2 、G0/0/1 选出指定端口
查看这两个口的根路径开销都为20000，

往下，比较本端BID

验证

预备端口

未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞。

所以根据规则，LSW1的G0/0/1就为预备端口并给予堵塞。

STP 端口状态 & 计时器

STP 端口状态

disabled port: 端口没有接线
blocking：阻塞
Listening: 监听

STP的计时器

Max Age ：

最长未接受BPDU时间
所连的交换机不能超过20台。

所以不建议在二层网络中连续的接多个交换机，一是不利于STP协议的计算降低效率，二是大于20台时，非根桥会丢弃BPDU。

链路中根桥会一直发送BPDU，如果被阻塞端口的交换机超过 Max Age 时间没有收到，则会认为自己就是根桥，端口就不会被堵塞了，然后如下图改变状态。（这也是刚开始启动交换机时，各个端口的状态变化）

15s 监听 – > 15s 学习 – > 转发

STP拓扑变化

根桥故障

交换机出现故障时，当前二层网络下的设备恢复网络一共需要50 S 。

直连链路故障

我们测试一下：

查看LSW3的端口

关闭 G0/0/1 口，查看状态变化。

时间是 STP 的缺点之一

非直连链路故障

同样测试一下；

开始时

关闭LSW2的g0/0/1的端口后

根据Message的大小（经过一台交换机加1）证明 BUPD是从LSW3那边发过来的

拓扑改变导致MAC地址表错误

拓扑如下：

STP正常运行，PC1 ping PC2 通过ARP询问MAC地址后正常通信，LSW1也记下了所对应的MAC地址。

–> 所以有了 TCN

检测到拓扑改变的交换机通过根端口向根桥发送TCN，上游交换机收到TCN后回应TCA，让后下游交换机停止发送TCN，再通过根端口发送TCN直到根桥收到，根桥通过制定端口发送TC通知所有下游交换机把MAC地址表记录老化时间从300s变为15s

如：

关掉后：