交换基础之生成树协议

文章目录

STP介绍
- STP相关术语
- STP比较原则
- STP BPDU报文格式
STP工作原理
- STP初始化角色选举过程
- STP拓扑变化角色选举过程
RSTP介绍
- RSTP端口角色
- RSTP端口状态
- RSTP BPDU报文变化
- RSTP拓扑变化角色选举过程
- 处理BPDU报文的变化(相较于STP)
- P/A快速收敛机制
MSTP介绍
- MSTP相关术语
- MSTP端口角色
- CIST角色比较原则
- CIST计算原理
- MSTI计算原理
- MSTP BPDU报文结构

STP介绍

STP(Spanning Tree Protocol，生成树协议)是用于消除环形网络的广播风暴(数据包在网络中不断循环转圈)和MAC地址表不稳定(MAC地址表不断更改学习到的MAC地址条目)问题，从而实现既能解决环路问题，也能形成备份；STP是IEEE 802.1D标准；

STP相关术语

STP协议中涉及了很多术语，例如：根桥、根桥ID、桥ID、路径开销、端口ID、根端口、指定端口、阻塞端口等；

根桥：整个生成树的根，全网只有一个根桥(根交换机)，便于后续相关角色的选举；

根桥ID/桥ID(RID/BID)：由优先级与MAC地址两部分组成，优先级范围为0-61440，优先级默认为32768，MAC地址为交换机面板的MAC地址，而非端口上的MAC地址；

端口ID(PID)：由端口优先级与端口编号两部分组成，优先级范围为0-255，默认为100；

路径开销：端口参数，端口到达根桥的开销，根桥的端口开销为0；

根端口：负责向根桥发送报文或接受根桥发送的报文，每个交换机只有一个根端口；

指定端口：负责发送根桥报文，每一个端口到端口的链路都会选出一个指定端口；

阻塞端口：除根端口和指定端口以外的所有端口；

STP端口状态：

端口状态	说明
Disabled	不接收不转发BPDU报文，不进行MAC地址学习，不转发用户流量
Blacking	只接收BPDU报文，不进行MAC地址学习，不转发用户流量
Listening	接收并转发BPDU报文，不进行MAC地址学习，不转发用户流量
Learning	接收并转发BPDU报文，进行MAC地址学习，不转发用户流量
Forwarding	接收并转发BPDU报文，进行MAC地址学习，转发用户流量

注:指定端口和根端口选举后，需要两倍转发延迟后才能到转发状态;

注：Hello Time(Hello定时器)：STP设备发送配置BPDU报文的时间间隔，缺省为2s，TCN BPDU不受该定时器控制；
Forwarding Delay(转发延迟)：STP设备在listening和Learning端口状态各自停留的时间，缺省为15s，用于防止交换网络在不同状态间频繁切换(例如：在一个时间间隔内频繁的增减设备，使得端口角色不断发生变化，端口状态也不断发生变化；存在转发延迟后，就不会频繁的从Forwarding状态到Blocking，再到Forwarding状态)；
Max Age(最大生存时间)：端口的BPDU的老化时间，缺省为20s，收到BPDU报文后，会比较**Message Age(消息生存时间)**和Max Age，如果Message Age小于或等于 Max Age，就非根桥设备继续转发，如果Message Age大于 Max Age，就丢弃该报文；
配置BPDU每经过一个桥设备，Message Age数值就会增加1；

STP比较原则

根桥选举是比较桥ID，根端口和指定端口是按照下述的比较方式比较的；

比较根桥ID(RBID)，数值越小越优；

如果RBID相同，就比较到达根桥的路径开销(Cost)，数值越小越优；

如果路径开销相同，就比较发送方的桥ID(中继BID)，数值越小越优；

如果发送方BID相同，就比较发送方的端口ID(PID)，数值越小越优；

如果发送方的PID相同，就比较接收方的PID，数值越小越优；(适用于RSTP和MSTP)

STP BPDU报文格式

BPDU报文分为配置BPDU和TCN BPDU；

配置BPDU是用于计算和维护生成树的报文，是初始阶段中各交换机发送的BPDU；

TCN BPDU是用于生成树拓扑发生变化的报文，下游设备通过该报文通知上游设备拓扑结构发生了变化；

配置BPDU报文格式：

报文字段	说明
Protocol ID	协议ID字段，数值为0；
Protocol Version	协议版本字段，数值“0”表示STP，数值“2”表示RSTP，数值为“3”表示MSTP；
Message Type	消息类型字段，标识BPDU报文类型，“0x00”表示配置BPDU，“0x02”表示RST BPDU或MST BPDU，“0x08”表示TCN BPDU；
Flags	标识字段，用于表示字段发生了变化，TC为置1表示通知下游设备删除发生变化的MAC地址，TCA位置1表示已确认拓扑发生了变化；
Root ID	根桥ID字段，标识当前根桥设备的RID；
Root Path COST	根路径开销字段，标识发送给BPDU报文的端口累计到跟根桥的开销；
Bridge ID	桥ID字段，标识发送BPDU报文的BID；
Port ID	端口ID字段，标识发送该报文端口的PID，即“发送者端口ID”
Message Age	消息生存时间字段，标识该BPDU已存在的时间，从根桥接收报文，数值为“0”；实际实现时，配置BPDU每经过一个桥设备，Message Age就会增加1；
Max Age	最大生存时间字段，标识报文的最大生存时间，缺省为20s，即老化时间；*
Hello Time	发送时间间隔字段，标识配置BPDU发送的时间间隔，缺省为2s；
Forwarding Delay	转发延迟字段，控制listening和learning的持续状态，缺省为15s;

TCN BPDU报文格式：

TCN BPDU报文格式很简单只有上述报文的前三段：协议ID、协议版本和信息类型；

STP工作原理

STP的角色选举都遵循STP比较原则。整个STP可以分为初始阶段角色选举和拓扑变化后角色选举。

STP初始化角色选举过程

初始状态(未标记为默认值)，网络没有根桥；
网络中的所有交换机都认为自己是根桥，开始发送配置BPDU报文，Switch1与Switch2会收到交互BPDU报文，发现Switch1的BID数值更小，优先级更大，认为Switch1为根桥，Switch1与Switch3比较的时候，Switch1的BID优先级更大，Switch1为根桥；
注：STP中只有根桥设备才会发送配置BPDU，RSTP和MSTP的所有STP设备都会发送配置BPDU报文；
根桥设备选举出来之后，每个非根桥设备要选举出一个根端口；Switch2有两个端口，比较两个端口收到的配置BPDU报文(RID相同，G0/0/1的Cost路径开销小于G0/0/2[角色选举的比较原则])，发现Switch2的G0/0/1为根端口，同理Switch3的G0/0/2为根端口；

STP设备选举出根端口后，开始为每条端到端链路选举一个指定端口；Switch1与Switch2链路两端端口通过角色选举的比较原则(RID相同，Switch1的COST更小)，发现Switch1的G0/0/1为指定端口，同理Switch1与Switch2之间Switch1的G0/0/2为指定端口；

Switch2与Switch3两路两端通过角色选举比较原则(RID相同，COST开销相同，Switch2的中继BID更小)，发现Switch2的G0/0/2为指定端口，其他非根端口和非指定端口的为阻塞端口(Switch3的g0/0/1为阻塞端口)；
注：生成树拓扑结构稳定后，根桥设备会按照Hello Time周期性发送配置BPDU报文；

STP拓扑变化角色选举过程

生成树拓扑结构发生变化后，下游设备就会向上游设备发送TCN BPDU报文，告知上游设备拓扑发送了变化。下游设备会不断发送TCN BPDU报文，只有指定端口接收到该报文才会处理；

拓扑变化后角色选举过程(MAC地址表项重新学习)：

当下游设备发生拓扑变化时，下游设备会不断向上游设备发送TCN BPDU报文，上游设备的指定端口收到TCN BPDU报文后，会向下游设备回复配置BPDU报文(Flags字段TCA置为1)，告知下游设备已知道拓扑发生变化，并且设备会复制TCN BPDU报文，然后发送给上游设备，如此往复，直至发送将TCN BPDU报文发送给根桥设备；

根桥设备收到TCN BPDU报文，根桥设备会向下游设备回复配置BPDU报文(flags字段TC置为1)，要求下游设备直接删除发生故障端口或发生变化端口的MAC地址表项(删除接收到TCN BPDU报文的指定端口的MAC地址表项)，进而达到快速收敛的目的；

注：TCN BPDU报文是用于告知上游设备，生成树拓扑结构发生了变化；
Flags字段的TCA置为1的配置BPDU报文，是上游设备用来告知下游设备已经知道拓扑结构发生了变化；
Flags字段的TC置为1的配置BPDU报文，是根桥设备用来告知下游设备拓扑发生变化，要求下游设备删除发生故障端口或发生变化变化端口的MAC地址表项(删除接收到TCN BPDU报文的指定端口的MAC地址表项)；

RSTP介绍

RSTP(Rapid STP，快速生成树协议)是STP的升级版本，用于解决STP收敛速度慢(Listening和Learning有转发延迟、只有根桥才会发送配置BPDU报文)、端口状态和端口角色划分不合理(某些端口状态功能类似，端口角色与端口状态关联性不强)等问题；RSTP是IEEE 802.1w标准；

RSTP端口角色

RSTP将端口角色更加细化，将阻塞端口划分为Alternate(替代)端口和Backup(备份)端口，新加了Edge(边缘)端口；

端口角色	解释说明
根端口	每个非根桥设备都会有一个；用于接收配置BPDU报文；
指定端口	每条端到端链路都会有一个；用于发送配置BPDU报文；
替代端口	用于无延时进入转发状态代替根端口，是对根端口的备份，相当于多了一条接收配置BPDU报文的路径；
备份端口	用于无延时进入转发状态代替指定端口，是对指定端口的备份，相当于多了一条发送配置BPDU报文的路径；
边缘端口	用于主机与STP设备相连的端口；不参与RSTP计算，直接是转发状态；防止主机频繁切换(断开或连接)造成网络拓扑震荡；

RSTP端口状态

RSTP将STP中某些功能相似的状态合并，使其STP的五个状态合并为RSTP的三个状态，提高了RSTP的收敛速度(状态少了，切换时间也会相应变短)；

端口角色	角色说明
Discarding	不进行MAC地址学习，不转发数据流量
Learning	进行MAC地址学习，不转发数据流量
Forwarding	进行MAC地址学习，转发数据流量

RSTP BPDU报文变化

RSTP的RST BPDU报文基本与STP的配置BPDU报文相似，较为不同的是Flags字段。

RSTP将Flags字段中没有用上的位数统统利用了起来；

报文字段	解释说明
TCA	用于告知设备已知道拓扑结构发生了变化；
Agreement	P/A(提议/确认)机制中的确认快速收敛，Agreement报文；
Forwarding	发送报文的端口处于转发状态；
Learning	发送报文的端口处于学习状态；
Port Role	端口角色，“00”为端口角色未知；“01”为替代端口或备份端口；“10”为根端口；“11”为指定端口；
Proposal	P/A机制中发起快速收敛的提议报文，Proposal报文；
TC	根桥告知下游设备拓扑发生变化并要求删除相应的MAC地址表项；

常见的Flags数值(仅供了解)：

2c即0010 1100，表示发送BPDU报文的端口为转发状态，端口角色为指定端口；

0e即0000 1110，表示有指定端口发送的Proposal报文；

6c即0110 1100，表示发送Agreement报文的端口为转发状态,端口角色为指定端口；

2d即0010 1010，表示发送Proposal报文的端口为转发状态，端口角色为根端口；

RSTP拓扑变化角色选举过程

RSTP取消了TCN BPDU报文，采用更加快捷的方式到达拓扑变化后快速收敛的目的；

RSTP虽然没有TCN BPDU报文，在与STP兼容模式中仍然能够发送和接收TCN BPDU报文(此时RSTP和STP的工作原理为STP)，当STP设备完全脱离后，RSTP设备会自动切换为RSTP工作原理，开始快速收敛；

拓扑变化后角色选举的工作过程(MAC地址表项重新学习)：

当RSTP检测到拓扑结构发生变化(非边缘端口切换到转发状态)，本设备就会启动TC While定时器(数值为Hello Time定时器的两倍)，在该定时器内，清空发生变化的端口上学习到的MAC地址表项，并由这些发生变化的端口发送**RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)**给其他RSTP设备，TC while超时就停止发送；

其他RSTP设备的指定端口收到RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)后，清空所有端口学习到的MAC地址表项，除了接收RST BPDU报文的端口，并为所有非边缘端口启动TC While定时器，重复上述过程直至所有RSTP设备都进行MAC地址表重新学习，提高了收敛速度；

注：接收到RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)的端口，不会再从该端口发送RST BPDU报文(Flags字段的TC置为1)；

处理BPDU报文的变化(相较于STP)

每台RSTP的设备指定端口都可以发送配置BPDU报文；

如果一个端口连续3倍hello定时器内没有收到上游发送的RST BPDU报文，就认为邻居之间协商失败；

P/A快速收敛机制

Proposal/Agreement机制是为了实现快速收敛，减少端口状态切换的时间；P/A是在点到点链路里；

P/A的端口变量协商过程：

Proposing(请求提议)：当一个设备的指定端口处于discarding或learning状态时，端口的proposal变量置位，并向下游设备发送RST BPDU报文(Flags字段的Proposal置为1)，用于请求快速切换到转发状态；

Proposed(请求采纳)：当下游设备的根端口收到上述RST BPDU报文(Flags字段的Proposal置为1)，接收报文的端口proposed变量置位，表示本链路的指定端口希望尽快进入转发状态；

Sync(同步请求)：当根端口proposed变量置位，本设备的其他端口都要将sync变量置位，使得非边缘端口都进入discarding状态(阻塞其他非边缘端口)，准备重新同步；

Synced(同步完成)：当非边缘端口处于discarding状态，其他端口都将synced变量置位，根端口监测到所有非边缘端口都将synced置位后，也会将自己的synced变量置位，然后向上根端口所连接的链路发送RST BPDU(flags字段的Agreement置为1)；

Agreed(提议确认)：上游设备收到RST BPDU(flags字段的Agreement置为1)后，会将接收到该报文的端口agreed变量置位，并立即进入Forwarding转发状态；

按照上述步骤，依次将非边缘端口(处于discarding状态)快速切换到Forwarding状态，直至整个RSTP网络都调整完毕；

MSTP介绍

MSTP(Multiple STP，多生成树协议)是可以实现快速收敛，又能使不同VLAN的流量按照不同的路径转发，从而为冗余链路提供更好的负载分担机制；每一个区域叫做MST域(多生成树域)，每个域中包含的多颗生成树叫MSTI(多生成树实例)，每一颗生成树采用RSTP算法生成；

注：MSTP仅需了解基本概念，以及同一MST域下不同MSTI配置。BPDU报文也只需要了解即可

MSTP相关术语

VLAN映射表(MSTP)：描述VLAN与MST域中对应的MSTI之间的映射关系；一个MSTI可以对应多个VLAN，一个VLAN只能对应一个MSTI；
IST(Internal Spanning Tree，内部生成树)：每个MST区域只会生成一个IST生成树，MST区域内的所有设备都属于该IST；IST对应的实例号为0(MSTI ID为0)；
CST(Common Spanning Tree，公共生成树)：是计算整个MSTP网络的生成树，但是将IST这个整体作为生成树的一个节点，即每个MSTP网络只有一个CST，每个MST域的IST是整个MSTP网络的CST生成树的节点；
CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树)：是通过STP或RSTP协议计算生成的，连接整个MSTP网络的所有交换机生成的单生成树，是由IST和CST共同组成的，即CIST是计算MSTP网络的所有交换机组成的(CIST的生成树节点为单个交换机)，CST是计算MSTP网络所有IST组成的(CST的生成树节点为IST)；
SST(Single Spanning Tree，单生成树)：运行STP或RSTP的生成树；MST域中只有一个交换机；
总根：CIST的根桥(一个MSTP网络只有一个根桥)；
域根：IST域根(IST的根桥，MST区域的根桥，一个MST域对应一个根桥)和MSTI域根(MST域中多生成树实例的根桥，一个实例对应一个MSTI域根)；

MSTP端口角色

MSTP协议相对于RSTP协议多了Master(主)端口和域边缘端口；

端口角色	解释说明
根端口	每个非根桥设备都会有一个；用于接收配置BPDU报文；
指定端口	每条端到端链路都会有一个；用于发送配置BPDU报文；
替代端口	用于无延时进入转发状态代替根端口，是对根端口的备份，相当于多了一条接收配置BPDU报文的路径；
备份端口	用于无延时进入转发状态代替指定端口，是对指定端口的备份，相当于多了一条发送配置BPDU报文的路径；
边缘端口	用于主机与STP设备相连的端口；不参与RSTP计算，直接是转发状态；防止主机频繁切换(断开或连接)造成网络拓扑震荡；
主端口	MST域和总根之间最短路径的端口，MST域内的报文去往总根都需要经过该端口；主端口是特殊的域边缘端口，也是CST/CIST的根端口；
域边缘端口	位于MST域边缘且与其他MST域或SST相连的端口；域边缘端口的角色在MSTI和CIST上保持一致，即该端口在CIST里是Master端口，则该端口在所有MSTI内都是Master端口；

CIST角色比较原则

比较总根桥ID，数值越小越优；

如果总根桥ID相同，就比较到达总根桥的外部路径开销(ERPC)，数值越小越优；
注：外部开销是计算MST域外主端口到总根的开销(MST域内部设备到达域根桥的开销不计算)；内部路径开销是计算MST域内非域根桥到达域根桥的开销；

如果外部路径开销相同，就比较域根桥ID(RBID)，数值越小越优；

如果RBID相同，就比较到达根桥的内部路径开销(IRPC)，数值越小越优；

如果路径开销相同，就比较发送方的桥ID(中继BID)，数值越小越优；

如果发送方BID相同，就比较发送方的端口ID(PID)，数值越小越优；

如果发送方的PID相同，就比较接收方的PID，数值越小越优；(适用于RSTP和MSTP)

CIST计算原理

首先在经过配置BPDU报文比较后，在整个MSTP网络中选举出BID数值最小的交换机作为CIST的总根，然后在MST域内通过MSTP算法计算出IST的所有端口角色，同时MSTP网络将每个MST域作为单独的节点通过STP或RSTP算法计算出CST，最终CST和IST组合成整个MSPT网络的CIST；

MSTI计算原理

每个MSTI当做单独RST或STP计算出生成树；

MSTP BPDU报文结构

报文字段	字节/Bytes	解释说明
Version1 length=0	1	Version1的BPDU报文长度，固定为0；
Version3 length	1	Version3的BPDU报文长度；
MST configuration Identifier	51	MST域配置标识符字段，表示MST域的标签；只有配置相同的MST标识符才会处于同一个MST域；下列有该字段的详细内容；
CIST interval Root Path Cost	4	CIST内部路径开销字段，标识发送配置BPDU报文的端口到达根桥(Master端口)的累积路径开销；
CIST Bridge ID	8	CIST桥ID字段，标识CIST的指定桥ID，相当于BridgeID字段；
CIST Remaining Hops	1	CIST保持跳数字段，BPDU报文在CIST的剩余字段(每经过一个桥设备数值减一)；
MSTI Configuration Message	16	MSTI配置信息字段，每个MSTI的详细信息，用于告知总根该MST域中配置的所有MSTI详细信息；可以包含多个MSTI，下列有该字段的详细内容；

报文字段	解释说明
Configuration ID Format Selector	配置标识符格式选择器，固定为0；
Configuration Name	MST域名，每个MST域有唯一的域名；
Revision Level	MST配置修订级别；
Configuration Digest	配置摘要，利用HMAC-MD5算法将VLAN与实例的映射关系加密为16字节的摘要；

报文字段	解释说明
MSTI Flags	MSTI标识字段，与上面Flags字段一样；
MSTI Regional Root Identifier	MSTI域根桥ID字段，表示实例中根桥的ID；
MSTI Interval Root Path Cost	MSTI内部路径开销字段，表示发送BPDU报文的端口到实例根桥积累的路径开销；
MSTI Bridge Priority	MSTI桥优先级，表示本设备的桥优先级；
MSTI Port Priority	MSTI端口优先级，表示本设备的端口优先级；
MSTI Remaining Hops	BPDU在MSTI中的剩余跳数；