STP协议

STP(IEEE 802.1D标准定义的)的主要任务是阻止在第2层网络(网桥或交换机)产生网络环路，它警惕的监视着网络中所有的链路，通过关闭任何冗余的接口来确保在网络中不会产生环路。STP采用生成树算法，它首先创建一个拓扑数据库，然后搜集并破坏掉冗余的链路。

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，冗余链路会交给交换网络带来环路风险，环路会引起广播风暴，网络中的主机会收到重复数据帧。

环路会引起MAC地址表震荡，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP(spanning

tree protocol)可以在提高可靠性的同时用能避免环路带来的各种问题。

生成树协议包括：STP、RSTP、MSTP。

STP工作流程：

选举一个根网桥

在每一个非根网桥选举一个根端口

在每一个网段上选一个指定端口

阻塞非根网桥、非指定端口

STP的规则：

每一个网络只有一个根桥

每一个非根桥有且只有一个根端口

每天链路有且只有一个指定端口

根桥的所有端口均为指定端口

根端口和指定端口都是forwading

阻塞端口为blocking

STP术语：

根桥：根桥是桥ID最低的网桥

非根桥：除根桥外其他的网桥都是非根桥。

BPDU(桥协议数据单元)：交换机之间用来交互的信息，使用BPDU里面的参数进行对比，然后再传给某个邻居，并且放入他们从另外邻居收到的BPDU。

桥ID：桥ID是由优先级和MAC地址组合来决定的，STP利用桥ID来跟踪网络中所有的交换机。(桥ID用来选举根桥，，并决定根端口。桥ID为8个字节长，包括设备的优先级和MAC地址，默认所有的优先级都是32768 。若更改则要求为4096的倍数。)优先级最低的网桥将成为根网桥

网络中的交换机默认都是每2秒发送一次BPDU，被发送到网桥/交换机的所有活动的端口上。桥ID最小的网桥就被选举为根桥。一般我们会手动将要作为根桥的交换机的优先级降低，这样会比较有效率。

根端口：直接连到根桥的链路所在端口，或者到根桥路径最短的端口。

指定端口：有最低开销的端口就是指定端口，指定端口被标记为转发端口。在根交换机上的每个端口都是指定端口。

非指定端口：开销比指定端口高的端口，它被置为阻塞状态。

转发端口：能够转发帧的端口。

阻塞端口：不能转发帧，但始终监听帧。

端口开销：两台交换机之间有多条链路且都不是根端口时，就根据端口开销来决定最佳路径，链路的开销取决于链路的带宽。

生成树端口状态

阻塞(disarding)：无法转发帧，但是会监听。

侦听(listening)：侦听BPDU，确保在传送数据帧之前，网络上没有环路产生。处于此状态在没有形成mac地址表时，就准备转发数据帧。

学习(lear ing)：交换机端口侦听BPDU时并学习交换式网络中的所有路径。此时形成了mac地址表，但不能转发数据帧。转发延迟意味着将端口从侦听状态转换到学习状态所花费的时间，默认15秒。

转发(forwarding)：发送并能接收所有的数据帧，如果在学习状态结束时，端口仍然是制定端口或根端口，它就进入转发状态。

禁用 (disabled)

端口ID(参与选举根端口)

端口优先级是从0到255的数字，默认值是128 (0x80)

端口优先级数值越小，则优先级越高

如果端口优先级相同，则编号越小，优先级越高

端口阻塞原则：

1， 端口阻塞的选择与上层交换机的优先级有关联

2，优先比较的是上层优先级，优先级大的被阻塞

3， 上层优先级等同时比较mac地址，mac大的被阻塞

4，端口阻塞的选择与根桥的接口有关系。

5， 在优先级等同的时候才会用上层交换机端口号做选择。(不一定是根桥)

6， 根桥接口号大的对应链路到下层交换机的端口会被阻塞。

STP的缺陷：

1、收敛慢，收敛属于秒级；

2、不适用于大型交换网络，网络直径小于等于20；

3、整网的交换设备不能超过50台；

STP的计算过程

1、选举一个根桥

根桥交换机：作为整个交换网络的数据转发中心；

选举要素1

根桥ID：优先级+mac地址

1、比较优先级，默认为32768，数值越小越优先，可调整，只能为4096的倍数；

2、比较mac地址，数值越小越优先。

如果设备收到比本身差的BPDU报文，直接丢弃；

如果设备收到比本身优的BPDU报文，将其放入端口存储并且转发出去。

全网泛洪的BPDU报文的根桥ID一致时说明交换网络中已经选出根桥交换机

2、每个非根交换机选举一个根端口

根端口(RP)：转发数据的端口，用于接收最优的BPDU报文，只在非根桥交换机上有且只有一个。

选举要素2

1、根路径开销：

根路径：以一个接口为出方向，去往根桥交换机的最短路径之和，称为根路径；

2、开销：

跟接口的带宽有关；

100M=200000

1GE=20000

10GE=2000

根路径开销越小越优先：

STP的通用规则一：

非根桥交换机与根桥交换机直连接口都为RP端口。

3、每个网段选举一个指定端口

指定端口(DP)：转发数据，用于转发最优BPDU，在每个网段上有且仅有一个。

通用规则二：

根桥交换机上的所有端口均为DP端口。

要素3

发送者桥ID

设备在转发BPDU报文，都会将本身的桥ID字段填充到发送者桥ID中；

比较规则与根桥ID比较规则完全一致。

4、阻塞非根、非指定端口

AP，既不是DP也不是RP端口。

要素4

端口ID：优先级+端口编号

优先级：默认为128，数值越小越优先，可调整，只能调整为16的倍数；

端口ID，数值越小越优先。

STP的端口状态机

disable：说明端口未启用STP协议；

blocking：阻塞状态，属于AP端口正常状态，进行根桥的选举；

listening:侦听状态，进行端口角色的确定；

learning:学习状态，学习mac地址表；

forwarding：转发状态，转发数据，学习mac地址；

STP的计时器

hello time：更新计时器，根桥交换机每2秒向外泛洪BPDU报文；

max age：默认为20s，端口中BPDU的老化时间，如果端口到达老化时间，BPDU会被丢弃，等同于拓扑发生变化。

message age：信息延时，时间默认为0秒，每经过一个设备，会加1。

端口真正的老化时间=max age-message age

forward delay：转发延时，默认为15s，在listen--learning-forwarding状态跳转时使用，用于防止临时环路。

STP的收敛规则

当RP端口down掉，非根桥交换机直接认为根桥交换机down 掉，以自身为根桥向外泛洪BPDU报文；

STP针对拓扑改变的刷新机制

(1)由发生拓扑变化的交换机朝着根桥泛洪TCN BPDU报文，上游交换机收到TCN BPDU报文后，先回复TCA BPDU报文，继续朝着根桥泛洪TCN BPDU；

(2)不断重复上述过程，直到根桥交换机收到TCN BPDU，回复TCA BPDU报文为止；

(3)根桥交换机会泛洪TC BPDU报文，泛洪35秒，每2秒泛洪(17个或者18个)，当交换机收到TC BPDU报文后，会刷新mac地址表。

实验：

网络拓扑：

四台路由器全部配置stp enable

查看四台设备的stp brief

会发现AR4的2口是discarding状态

查看桥id，并对比其他路由器的接口桥id，会发现discarding的桥id大

再查看桥id的时候发现AR3的接口桥id与AR4的接口桥id相同

此时需要对比接口的mac地址，越小优先级越高，可以看出AR4接口2mac地址大。