三、生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）

生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）
- STP
  - 为什么需要生成树
    - 冗余/备份是必须的，环路不可避免
  - 环路危害
    - 广播风暴
    - MAC地址学习错误/震荡/漂移无法通信/重复数据帧接收
  - 什么是生成树STP
    - 在二层网路中，有选择性地阻塞环路中的某个接口来消除二层环路，·形成树状拓扑，避免了环路，同时还具备链路备份的功能，当活动链路发生故障时，STP可以激活冗余链路，恢复网络的连通性。
  - 生成树类型
    - STP 广义上指所有生成树，狭义上指的是生成树的802.1D协议（STP）
    - STP 802.1D
    - RSTP 802.1W
    - MSTP 802.1S
    - PVST+ —>STP的改进思科私有
    - Rapid PVST+ —>RSTP的改进思科私有
  - BPDU Bridge Protocol Data Unit 桥协议数据单元
    - Root ID(根桥ID)
      - 由根网桥的优先级和48位的mac地址组成，优先级可人工配置，取值范围0-65535，缺省值为32768，优先级为4096的倍数，所以取值范围为0-61440，数值越小越优先
      - 交换机刚启动的时候Root ID=Bridge ID
    - Root Path Cost（RPC）根路径开销
      - 从发送网桥到根网桥的路径开销，即最短链路上所有开销的代数和
      - 端口的开销值和端口的带宽有关，带宽越高，花销越小
      - stp cost cost命令取决于路径开销计算方法：
      - 1. 使用华为的私有计算方法时， cost取值范围是1～200000。
      - 2. 使用IEEE 802.1d标准方法时， cost取值范围是1～65535。
      - 3. 使用IEEE 802.1t标准方法时， cost取值范围是1～200000000。
      - 华为设备默认使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销
        
        10M—2000000
        
        100M-200000
        
        1000M-20000
        
        10G-2000
      - 思科默认 802.1d标准
        
        10M—100
        
        100M-19
        
        1000M-4
        
        10G-2
      - stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }命令用来配置指定交换机上路径开销值的标准。
    - Bridge ID（BID）桥ID
      - 由网桥的优先级和48位的mac地址组成，优先级可人工配置，取值范围0-65535，缺省值为32768，优先级为4096的倍数，数值越小越优先
    - Port ID（PID）端口ID
    - 生成树的选举过程就是比较BPDU的优劣过程,数值越小越优
    - BPDU比较原则
      - 1、Root ID最小的为根桥
      - 2、如果Root ID一致，比较Root Path cost，值越小表示到根桥距离越近，根路径花销越小越优
      - 3、如果RID/Path Cost相同，比较Bridge ID，越小越优
      - 4、如果RID/Path Cost/Bridge ID相同，那么Port ID越小越优
    - BPDU在STP模式的类型
      - 配置BPDU 网络正常运行的时候
      - TCN 拓扑变化的时候发送BPDU
  - BPDU报文
    - BPDU字段包含的信息：
      Protocol ID 　　协议ID
      Version　　　　STP版本（三种）
      STP（802.1D）传统生成树值为0 RSTP（802.1W）快速生成树值为2 MSTP（802.1S）多生成树值为3
      Message Type 消息类型（常见的两种）
      配置BPDU：负责建立，维护STP拓扑 TCN BPDU：传达拓扑变更　　　　　　
      Root ID　　　　根桥ID
      Cost of Path　路径开销
      Bridge ID　　桥ID
      Port ID　　　　端口ID
      Message Age 当前消息年龄（STP每经过一台交换机，该字段+1，同步不同位置的设备根桥超时）
      Max Age 最大消息年龄（超过则代表根桥故障）
      Hello Time　　问候时间（根桥通过不断发送STP维持自己的地位，Hello time 是发送的间隔时间）
      Forward Delay 端口从listening -> learning 或 learning -> forwarding 的转态需要时间
  - 生成树计算原理/选举原则
    - 根桥（Root） Root ID最小
    - 根端口RP（Root port）
      - 每个非根桥上选举一个根端口
      - 非根交换机去往根桥路径最优的端口
      - 一个运行生成树协议的交换机上最多只有一个根端口，根桥没有根端口
      - 比较交换机上所有接口收到的BPDU，RPC(小)—>BID(小)—>PID（小）
    - 指定端口DP（Design port）
      - 每个交换网段选举一个指定端口，每个网段有且只能有一个指定端口
      - 一般情况下，根桥的每个端口都是指定端口。
      - 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口
      - 发出去的BPDU和对端发送的BPDU进行比较，发出去的优，表示此接口为DP，否则对端DP
    - 预备端口/阻塞端口AP(Alternater port
      - 一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。
  - 生成树端口角色.
    - 根端口 Root port ：RP
    - 指定端口 designated port DP
    - 预备端口 Alternate / Blocking port
  - STP端口状态
    - 1.Disabled：禁用状态，不参与生成树计算，不发送任何报文，端口处于down状态
    - 2.Blocking（Discarding）：阻塞状态,参与生成树计算，不接收或转发数据，接收但不发送BPDU，不进行MAC地址学习
    - 3.Listening：监听状态，不接收或转发数据，接收并发送BPDU，不进行MAC地址学习(在选举根桥、根端口、指定端口)
    - 4.Learning：学习状态，不接收或转发数据，接收并发送BPDU，开始MAC地址学习，在learning状态学习MAC，可以避免forwarding状态的时候由于未知单播而泛洪。
    - 5.Forwarding：接收并转发数据，接收并发送BPDU，进行MAC地址学习
    - 由于在网络中网络拓扑消息的传播需要一定时间的延时，为了避免在网络中产生临时环路，生成树协议规定不能从Blocking状态直接过渡到Forwarding，人工引入了两个状态 Listening、Learning
    - 从Listening状态到learning状态需要一个Forward delay=15s
    - 从Learning状态到Forwarding状态也需要一个Forward delay=15s
  - BPDU的定时器
    - BPDU报文中后四个值时定时器的值
    - 1、Hello Timer：根桥生成BPDU配置消息的周期，默认值为2秒
    - 2、Forward Delay：配置消息传播到全网的最大时延，默认为15秒
    - 3、Message Age：从根桥生成BPDU配置消息开始，到当前时间为止配置消息的存活时间
    - 4、Max Message Age:BPDU配置消息存活的最大时间，默认时间为20秒
  - STP拓扑变更收敛时间
    - 当拓扑发生变更以后，网络恢复到正常转发状态需要的时间 30-50s
    - STP:当网络拓扑发生变化时，下游交换机不断发送TCN BPDU报文给上游交换机，上游设备接收到
    - TCN BPDU报文后发送TCA报文，表示确认，下游停止发送TCN。直到根交换机接收到TCN BPDU报文
    - 向全网发送TC BPDU ，收到TC BPDU的交换机如果MAC老化时间大于15s,将MAC地址表老化时间设为15s 。（华为收到TC 置位的BPDU直接删除MAC地址表）
    - 配置命令
      - 华为
        
        stp enable//生成树开启，默认生成树已经开启
        
        stp mode stp/RSTP/MSTP //修改生成树的模式,默认MSTP
        
        stp priority X //修改根桥优先级，4096的倍数
        
        [SW1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost X
        
        [SW1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority X //16的倍数
      - 思科配置
        
        默认生成树开启，模式是PVST+（per vlan STP）
        
        spanning mode X ///修改生成树的模式
        
        spanning-tree vlan 10 priority //修改根桥的优先级，4096的倍数
        
        spanning-tree vlan 10 cost X//修改花销值
        
        spanning-tree vlan 10 port-priority X//修改接口的优先级，16的倍数
    - 查看命令
      - 华为
        
        display bridge mac-address //查看交换机MAC
        
        display stp brief//查看生成树角色，状态
        
        dis stp //查看生成树详细信息
      - 思科
        
        show spanning brief
        
        show mac-add //查看交换机MAC
- RSTP
  - STP不足收敛很慢：30s-50s
  - RSTP改进
    - 端口角色
      - 预备端口AP：根端口的备份
      - 备份端口BP：DP口的备份
      - 边缘端口：交换机下接PC机
    - 端口状态变成三种 discarding、Learning、forwarding
    - P/A机制
      - Proposal/Agreement机制，其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。
      - 指定端口通过与相连的网桥进行一次握手，快速进入转发状态。
      - P/A机制要求两台交换设备之间链路必须是点对点的全双工模式。
    - 拓扑变更优化
      - STP:当网络拓扑发生变化时，下游交换机不断发送TCN BPDU报文给上游交换机，上游设备接收到TCN BPDU报文后发送TCA报文，表示确认，下游停止发送TCN。直到根交换机接收到TCN BPDU报文向全网发送TC BPDU ，收到TC BPDU的交换机如果MAC老化时间大于15s,将MAC地址表老化时间设为15s 。（华为收到TC 置位的BPDU直接删除MAC地址表）
      - TCN BPDU报文：用来向上游设备乃至根桥通知拓扑变化。上游设备指定接口处理此报文
      - TCA：是上游设备用来告知下游设备已经知道拓扑变化，通知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
      - TC标记的配置BPDU报文主要是上游设备用来告知下游设备拓扑发生变化，请下游设备直接删除桥MAC地址表项，从而达到快速收敛的目的。
      - RSTP：当拓扑发生变更，变更点都可以发送TC报文，收到TC报文MAC地址清空。STP是Root才发TC报文。
  - RSTP保护机制
    - BPDU保护（思科：BPDU Guard）
      - 华为配置
        
        system-view
        
        stp bpdu-protection
        
        Error-down auto-recoverycause bpdu-protection interval 30 //error-down接口
        
        自动恢复，否则就是手动undo shutdown
      - 思科配置
        
        （1）全局（作用范围是PortFast的端口，就是在配置了PortFast后再在全局下配置BPDU Guard才会生效）：
        
        switch（config）#spanning-tree portfast bpduguard default
        
        （2）接口下启动（无需在这个接口下配置PortFast），则无论是正常端口还是portfast端口，到BPDU后都会变成errodisable。接口下配置：
        
        Switch(config-if)#spanning-tree bpduguard ?
        
        disable Disable BPDU guard for this interface
        
        enable Enable BPDU guard for this interface
        
        errdisable recovery cause all
        
        errdisable recovery interval 30errordisable接口自动恢复，否则就是手动
        
        shutdown/no shutdown
    - BPDU Filter
      - 应用场景
        对于运行生成树协议的网络，当通过命令stp edged-port enable将当前端口配置成边
        缘端口，该端口便不再参与生成树计算，从而帮助加快网络拓扑的收敛时间以及加强
        网络的稳定性。可是端口仍然会发送BPDU报文，这可能导致BPDU报文发送到其他网
        络，引起其他网络产生震荡。
        通过在该端口上配置命令stp bpdu-filter enable便可解决此问题。在网络边缘设备
        上配置该命令，使边缘端口不处理、不发送BPDU报文，该端口即为BPDU filter端口。
      - 华为
        
        接口配置
        
        接口下启用BPDU Filter特性，此接口会忽略收到的BPDU数据报文，也不会发送任何BPDU数据报文。（但是抓包的时候可以收到，即设备不会处理此数据报文））
        
        [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp bpdu-filter enable
        
        全局配置
        
        全局启用BPDU Filter特性，作用于配置了edged port的接口，如果此接口收到了BPDU，那么此edged port将处于error-down
        
        [Huawei]stp bpdu-filter default
      - 思科
        
        接口配置
        
        接口下启用BPDU Filter特性，此接口会忽略收到的BPDU数据报文，也不会发送任何BPDU数据报文。
        
        Switch(config-if)#spanning-tree bpdufiter enable
        
        全局配置
        
        全局启用BPDU Filter特性，作用于配置了Portfast但没有单独配置BPDU Filter特性的接口，如果此接口收到了BPDU，那么它们不在处于Portfast状态，BPDU Filter特性也会被禁用，接口恢复生成树计算。
        
        Switch（config）#spanning-tree portfast bpdufiter default
      - 若同时配置了BPDU Guard和BPDU Filter，则BPDU Filter生效
    - 根桥保护
      - 华为配置
        
        Interface G0/0/0 //指定端口配置
        
        stp root-protection
      - 思科配置
        
        Switch(config-if)#spanning-tree guard root
    - TC-BPDU泛洪保护
      - System-view
      - stp tc-protection
      - stp tc-protection threshold 6
  - RSTP配置
    - stp enable
      Stp mode rstp //设置生成树模式，思科spanning-tree mode rstp
      stp bpdu-protection
      interface GigabitEthernet0/0/3
      stp edged-port enable
      interface GigabitEthernet0/0/4
      stp edged-port enable //设置边缘端口，思科spanning-tree portfast
    - stp root primary //设置设备成为主根
    - 思科查看：
      - show spanning summary
      - show spanning ？
- MSTP
  - RSTP不足无法分流，所有vlan一棵树
  - 相同MST域的条件
    - 都启动了MSTP。
    - 具有相同的域名。
    - 具有相同的VLAN到生成树实例映射配置。
    - 具有相同的MSTP修订级别配置
  - 配置
    - 华为：
      stp enable // 默认开启
      stp mode mstp //默认生成树模式
      stp region-configuration
      region-name hcip
      instance 10 vlan 10
      instance 20 vlan 20
      active region-configuration
      stp instance 10 priority 0
      stp instance 20 priority 4096
    - 思科：
      config)#spanning-tree mode mst //启用MST,默认为PVST+
      (config)#spanning-tree mst configuration //进入MST配置模式
      (config-mst)#name ccnp //实例Name
      (config-mst)#instance 10 vlan 10
      (config-mst)#instance 20 vlan 20
      (config)#spanning-tree mst 10 port-priority 0
      或者
      (config)#spanning-tree mst 10 root primary
      (config)#spanning-tree mst 20 root secondary
      
      stp instance 1 cost 20000 #设置实例开销

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