STP（Spanning Tree Protocol）

• STP概述
• • 1.STP协议介绍
  • 2.生成树产生的原因
  • 3.STP原理
  • 4.生成树模型
• STP基本概念
• • 网桥ID（Bridge ID）
  • 端口ID（Port ID）
  • BPDU
  • 四种角色
  • 接口状态
  • 五种生成树

STP概述

1.STP协议介绍

生成树：在一个二层交换网络中，生成一棵树型结构，逻辑的阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径；当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用；

生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星型结构，且最短路径树；

2.生成树产生的原因

众所周知，企业在设计网络拓扑的时候一般存在四种冗余（也就是备份），分别是线路冗余，设备冗余，网关冗余和电源冗余。

其中，线路冗余在三层架构中一般会存在环路问题，为了避免这个现象产生，就有了生成树这个概念。

在二层网络环境中，出现环路的问题也是比较严重的，常见的有：

广播风暴；

MAC地址表翻滚；

同一数据帧重复拷贝。

3.STP原理

STP的作用是通过阻断冗余链路，使一个有回路的桥接网络修剪成一个无回路的树形拓扑结构。

4.生成树模型

（1）单生成树实例模型：SST(Singles STP)，交换机上所有vlan只能使用相同的一个拓扑，华为单实例模型只有STP和RSTP模式

（2）多生成树实例模型：MST（Multiple STP），可以自定义实例的数量，可手工指定哪些vlan使用哪些实例。华为默认生成树协议为MSTP。

（3）基于VLAN生成树实例模型：VBST（vlan-based STP），每个vlan都拥有各自的生成树实例，实例与拓扑之间独立不相关。（此生成树只在特定交换机平台支持，不建议使用）

STP基本概念

网桥ID（Bridge ID）

理论上：由16位桥优先级和48位桥MAC地址构成。
实际上：高16位桥优先级中，仅高4位用于优先级，低12位用户扩展（systemID）。
STP中，BID最小值被选为根桥。

端口ID（Port ID）

PID可能影响指定端口的选举。PID最小值被选为指定端口。
理论上：Port ID长度为2字节，1字节为端口优先级，1字节为端口号
实际上：优先级仅占高4位，低12位为端口号
默认端口优先级为128，即1000，修改优先级可影响端口PID，进而影响指定端口的选举。
华为命令 stp port priority。

BPDU

BPDU包含：{根桥ID、到根桥的成本、邻居交换机BID（收时为邻居、发时为自己）、邻居交换机PID}，最小值最优
注意：刚启动时交换机认为自己时根交换机，此时BPDU的根桥ID和邻居交换机BID都为自己的ID

配置BPDU——只有根网桥可以发送，在交换网络初始状态时，所有交换机均定义本地为根网桥，进行BPDU的发送；使得网络中所有交换机均收到其他设备的BPDU，之后基于数据中的参数进行比对，选举出根网桥；之后所有非根网桥不再发送BPDU，而是仅接收和转发根网桥的BPDU；发送周期2s，hold time 20s；

TCN（拓扑变更信息）——也是BPDU，用于在拓扑结构发生变化或者本地交换机发生故障的时候，为了快速通知其他路由器以更新MAC表，向其发送TCN。邻居交换机收到TCN包后，将ACK位标记为回复，用于可靠消息的传输，再将TCN逐级转发给根网桥，并等待根网桥的通知，所有交换机MAC表的老化时间改为15s

四种角色

根桥（根网桥）：在一棵生成树实例中，有切仅有一个根网桥，用于BPDU的发送，指挥和管理其余交换机，它是整棵树的根，二层网络的核心部分

根网络的选举：首先比较交换机的BID优先级（0-65535，默认32768），小者优先，可修改；若优先级相同，比较其MAC地址，数值小者优先。

根端口：在每一台非根网桥上有且仅有一个接口；本地离根网桥最近的接口，用于接收来自根网桥的BPDU，同时转发终端的数据帧；

根端口选举规则：
（1）首先比较流量进入接口时的最小cost值；
（2）其次比较对端的BID，小者优先；
（3）若对端BID也相同，比较对端接口的PID，小者优先；
（4）若对端设备的PID相同，那么比较本地的PID，小者优先

PID由接口优先级（0-240，默认128）和接口编号组成，先比较接口优先级，小者优先；若优先级相同比较接口编号，小者优先。

指定端口：在每一段运行了STP的物理链路上有且只有一个接口，用于转发来自根网桥的BPDU，同时转发终端设备的数据帧，根网桥的所有端口都是根端口，根端口的对端一定是指定端口；

指定端口的选举：
（1）首先比较转发来自根网桥的BPDU时，出接口的最短cost值，小者优先；
（2）其次比较两个接口所在交换机的BID，小者优先；
（3）若本地BID相同，比较本地的PID，小者优先；
（4）若本地PID也相同，直接阻塞该端口。

非指定端口（阻塞端口）：在选举完以上角色之后，剩余的端口均为非指定端口，并将其逻辑阻塞（并不是接口被关闭，该接口处于只能接收数据但不能转发数据的状态）。

接口状态

Down ：所有接口通电后进入下一状态

侦听：交换机收发BPDU，选出所有角色；根端口、指定端口15s后进入学习状态；非指定端口进入阻塞

学习：学习终端设备发出数据帧中的源mac地址，生成交换机的MAC表（CAM表）；15s后进入转发状态

转发：根端口、指定端口可以开始转发终端的数据帧

阻塞：逻辑阻塞

五种生成树

（1）802.1D
世界上第一种生成树，后续的生成树都是在其基础上改进

优缺点：收敛速度很慢；链路利用率很低。

（2）PVST （CISCO私有生成树）
在802.1D的基础上升级，基于VLAN分成不同的树仅支持trunk干道封装为ISL（cisco私有封装）

优缺点：收敛速度依然很慢；生成树过多，对交换机负担较大

（3）PVST +
在PVST的基础，兼容802.1q的trunk封装；且设计了部分的加速；省去了20s的hold time

优缺点：收敛慢（加速不彻底）；树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）

（4）快速生成树（RSTP）
公有RSTP为802.1w，是802.1d的升级，取消计时器，分段式同步，将端口加速

优缺点：收敛速度快；整个交换网络一棵树，链路利用率低

（5）MSTP/MST/802.1S
华为设备默认使用该协议，继承了快速生成树的基础； 将多个vlan放置于一个组内，基于每个组一棵生成树

优缺点：收敛速度快；链路利用率高