STP–生成树协议

交换网络中的问题：

1. 单点故障：交换机之间如果只有单条链路，如果链路故障，主机之间无法访问。
2. 解决单点故障：交换机之间相互呈环状连接，由冗余链路。当有一条链路发送故障，冗余链路可以保障网络通信。
3. 新的问题：增加冗余链路后，交换机之间形成环路，当交换机之间相互广播未知MAC地址的数据帧时，会产生广播风暴，链路中全是广播主机帧导致线路拥堵，交换机宕机。
4. 如何让交换机之间既有冗余链路，又不会产生广播风暴？
5. 最终解决方案：交换机之间呈环状连接，所以交换机都运行生成树协议，通过生成树协议自动堵塞某些端口，从而形成一个逻辑无环的网络拓扑，以避免广播风暴产生。当现有链路出现链路时，之前被阻塞的端口可以被从新启用，从而形成一个新的逻辑拓扑————–逻辑无环，物理有环。

生成树协议

STP– Spanning Tree Protocol

让交换网络形成一个树状的拓扑结构

生成树选举

生成树选举的过程(选举端口角色)

选举根网桥

网桥就是交换机，以前人们把交换机叫做网桥。
一个广播域中，有且只有一个根网桥。
对比BID–网桥Bridge id，BID最小的交换机成为根网桥。
BID=网桥优先级+网桥Mac地址。
网桥优先级取值范围：0-65535；默认值是：32768；步长：4096 (0,4096,8192…61440)，每次取值的最小单位，是4096的整数倍，不超过65535，因此倍数是0-15倍，值是0-61440。16倍是65536。
查看交换机网桥地址：display bridge mac-address
display stp

选举根端口(Root port）

每个非根网桥上，选择根端口，只且只有一个根端口
判断依据：此端口到达根网桥的路径成本之和最低。
路径成本是带宽所对应的数值，默认情况下，千兆路径成本为20000，百兆的路径成本为20W。
如果路径成本一样，则选择网桥id(即mac地址)小的。
路径成本之和一样时，对比端口标识(Port Identifier)。
- 端口ID越小优先，由端口优先级和端口号两部分组成，端口优先级可配置，默认值是128
- 端口优先级范围:0-128 默认步长16。

选举指定端口(Designed Port)：每根网线上选，有且只有一个指定端口。

根网桥上的所有端口都是指定端口(这是规定，没有为什么)
此端口所在交换机到根网桥的路径成本低的
路径成本一样时，对比此端口到根网桥的网桥id小的为指定端口。
既不是根端口也不是指定端口的，都是非指定端口，将成为阻塞端口。

display stp brief 查看STP网桥信息

Role角色	STP State
DESI指定端口	FORWARDING-转发
ROOT根端口	FORWARDING-
ALTE阻塞端口	DISCARDING-丢弃

BPDU–Bridge Protocol Data Unit

1. BPDU–网桥协议数据单元，实现了STP的所有功能。

2. BPDU类型–1、配置BPDU；2、拓扑更变通告(TCN)BPDU。

3. BPDU包含关键字段

字段	字节	作用
协议ID	2字节
版本号	1字节
报文类型	1字节	标识是配置BPDU还是TCN BPDU
标记域	1字节
根网桥ID	8字节	用于通告根网桥的ID
根路径成本	4字节	说明这个BPDU从根传输了多远，成本是多少
发送网桥ID	8字节	发送这个BPDU网桥的ID
端口ID	2字节	发送报文端口的ID
报文老化时间2字节；最大老化时间-2字节；Hello 时间-2字节；转发延迟-2字节		计时器值，用于说明生成树协议用多长时间完成它的每项功能

BPDU时如何选择根网桥的？

当交换机启动时，每个交换机都会假定自己就是根网桥，在向外发送的BPDU中根网桥字段ID填写自己的网桥ID。
当整个网络中所有的交换机接受到全部的BPDU并做比较后，就可以选择出唯一的一个根网桥。

STP的收敛

STP端口的物理状态：
禁用–Disable–强制关闭
阻塞–Blocking–只接收BPDU
侦听–Listening–构建活动拓扑
学习– Learning–构建网桥表
转发–Forwarding–发送/接收数据
华为交换机的stp的端口状态不是标准的，而是经过华为优化的，华为交换机的端口状态只有三种，分别是Forwarding，Learning和Discarding。

STP的三种计时器
Hello时间
转发延迟
最大老化时间

STP收敛过程
直连故障：被阻塞端口会从blocking状态依次切换到listening及learning状态，最终进入forwarding状态。直连链路故障，端口状态切换，延时30s后进-forwarding状态。
非直连故障：由于被阻塞端口上不再收到更优的BPDU，因此20s后端口开始从blocking状态依次切换到listening、learning及forwarding状态。非直连故障会导致50s左右的恢复时间，等于MAX Age加上2倍的Forward Delay时间。forward delay-转发延迟-15s；max age -20s；
收敛时间是disable到forwarding的时间。

STP存在问题：
STP常用计时器防止临时环路，收敛时间慢，长达30-50s。
设备利用率低
解决方案：RSTP和MSTP

STP配置命令
- stp enable //启动stp默认情况下stp为启动状态
- stp disable
- stp mode ｛stp|rstp|mstp｝ //选择stp模式，默认情况下stp模式为mstp。
- stp priority [0-65535] //修改交换机的优先级，默认值为32768，最大值为61440。
- 更改端口stp cost，在端口上开启/关闭stp功能
  - interface g0/0/1
  - stp cost ｛value｝
  - stp ｛enable|disable｝

RSTP

1. RSTP是对STP的改进，主要为了优化收敛时间。

改进点1:端口角色和端口状态优化

2. RSTP通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解与部署。增加了2种

替代端口-Alternative。替代端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口，它提供了从指定桥到根桥的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口。
备份端口-Backup。就是由于学习到自己发送的配置BPDU而被阻塞的端口，它作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路。

3. RSTP的端口状态缩减为3种，根据端口是否转发用户流量和学习mac地址来划分。

Discarding不转发用户流量也不学习mac地址。
Learning不转发用户流量但是学习mac地址。
Forwarding既转发用户流量又学习mac地址。

改进点2:RSTP的配置BPDU优化

RSTP的配置BPDU利用了STP报文中的Flags字段，明确了端口角色。

格式变化

除了保证和STP格式一样外，RSTP做了如下变化：

Type字段配置BPDU类型不再是0而是2，所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃。
Flag字段：使用了原来保留的中间6位，这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU。

BPDU发送方式

RSTP对配置BPDU的发送方式做了改进

STP拓扑稳定后,根桥按照Hello Time规定的时间间隔发送BPDU.其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU后,才会触发发出BPDU,此方式是的STP计算复杂且缓慢
改进: 在拓扑稳定后,无论非根网桥设备是否接收到根网桥传来的配置BPDU报文,非根桥设备任然按照Hello Time规定的时间间隔发送配置BPDU,该行为完全由每台设备自主进行.
Hello Time每次发出的时间间隔为2s.

改进点3:更短的BPDU超时时间

STP需要先等待一个Max Age.(Max Age为超时时间 = hello time * 3 = 6s)
改进: 如果一个端口在超时时间,(即三个周期,超时时间 = hello time * 3) 内没有收到上游设备发送过来的配置BPDU, 那么该设备认为与此邻居之间的协商失败.

改进点4:处理次优BPDU

STP协议只有指定端口会立即处理次优BPDU
改进: 当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时,该端口会将自身缓存的RST BPDU与收到的RST BPDU进行比较. 如果该端口缓存的RST BPDU优于收到的RST BPDU,那么该端口会直接丢弃收到的RST BPDU,立即回应自身缓存的RST BPDU,从而加快收敛速度.

改进点5:快速收敛机制

根端口快速切换

如果网络中一个根端口失效,那么网络中最优的Alternate 端口将成为根端口,并立即进入Forwarding状态. 因为通过这个Alternate端口连接的网段上必然有个指定端口可以通往根桥.

而在STP中,需要等待30s.

指定端口快速切换

如果网络中一个指定端口失效,那么网络中最优的Backup端口将成为指定端口,进入Forwarding状态. 因为Backup端口作为指定端口的备份,提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路.

边缘端口(Edge Port)

首先,边缘端口不属于端口角色,它是一个快速收敛机制

边缘端口是位于二层网络的边缘.一般可以把交换机连接终端或者服务器的端口配置为边缘端口.

在RSTP里, 如果某一个端口位于整个网络的边缘,即不再与其他交换设备连接,而是直接与终端设备直连,这种端口可以设置为边缘端口.

边缘端口不参与RSTP计算,可以由Discarding直接进入Forwarding状态.但是一旦边缘端口收到了BPDU配置,就丧失了边缘端口属性,成为普通STP端口, 并重新进行生成树计算,从而引起网络震荡.

P/A机制((Proposal/Agreement机制)

RSTP通过P/A机制加快了上游端口进入Forwarding状态的速度.

在RSTP中,当一个端口被选举成为指定端口后,会先进入Discarding状态,再通过P/A机制快速进入Forwarding状态.

而在STP中,该端口至少要等待一个Forward Delay(Learning) 时间才会进入到Forwarding状态.

如果交换机收到更有的BPDU,那么这个时候交换机就知道这个端口不应该是指定端口,而应该是根端口.

A置位只能是根端口发送的.P置位只能是指定端口发送的.

拓扑变更机制

在RSTP中检测拓扑是否发生变化只有一个标准:一个非边缘端口迁移到Forwarding状态.

一旦检测到拓扑发生变化,将进行如下处理:

为本交换机的所有非边缘指定端口和根端口启动一个TC While Timer,该计时器是Hello Time的两倍(4s). 在这个时间内,清空状态发生变化的端口上学习到的MAC地址.
同时,由非边缘指定端口和根端口向外发送RST BPDU, 其中TC置位. 一旦TC While Timer超时, 则停止发送RST BPDU.
其他交换设备收到RST BPDU后,清空所有端口(除了收到 RST BPDU 的端口和边缘端口) 学习到MAC地址, 然后也为自己的所有的非边缘指定端口和根端口启动TC While Timer, 重复上述过程
如此,网络就会产生RST BPDU泛洪.

保护功能

BPDU保护

BPDU保护,是防止边缘端口收到BPDU的保护机制.

如果边缘端口开启了BPDU保护,如果收到了BPDU报文,会关闭这个端口.

命令:stp bpdu-protection 开启BPDU保护

命令:display interface brief 查看所有端口状态

根保护

根保护是为了保护根桥

如果一个网络中有一台交换机的BID比现有的根桥还要优先,那么这个时候拓扑会发生变化,那么为了防止这种现象发送,我们可以开启根保护.

根保护在指定端口下开启,在根端口开启是没有作用的.

命令:进入指定端口. root-protection

环路保护

环路保护是为了防止网络中发生的一些临时环路

环路保护在根端口下开启

进入根端口, 开启环路保护stp loop-protection

display stp brief 可以看到Protection类型为LOOP

防TC-BPDU攻击保护

如果频繁收到TC BPDU, 就会频繁删除MAC地址表, 这样子不行, 因此可以开启TC BPDU保护.

在全局模式下开启: stp tc-protection, 默认开启.

开启保护后,交换机会在一定时间内删除MAC地址表的上限.

RSTP配置过程

根端口连接的设备就是上游设备,指定端口连接的设备就是下游设备.

配置生成树工作模式
- stp mode {stp | rstp | mstp}
- 交换机支持STP,RSTP和MSTP三种生成树工作模式.默认情况下为MSTP
(可选)配置当前设备为根桥
- stp mode primary
- 缺省情况下,交换机不作为任何生成树的根桥.配置后该设备优先级数值自动为0,并且不能更改设备优先级.
- display stp 查看交换机生成树信息.
(可选)配置当前设备的备份根桥
- stp root secondary
- 缺省情况下,交换设备不作为任何生成树的备份根桥.配置后该设备优先级数值自动为4096,并且不能更改设备优先级.

MSTP

1. 多生成树协议–Multiple Spanning Tree Protocol

2. 如果一个交换网络中，只形成一个逻辑无环拓扑，虽然可以解决环路问题，但存在其他问题：所有vlan公用一个生成树，防止环路同时只能确保一半的设备得到利用，另一半仅用作备份，设备利用率低。

3. 相当于整个交换网络中只存在一条路，所有的数据帧只能使用这个路径来进行转发。

4. 负载均衡：需要让交换网络形成多个逻辑无环拓扑，让不同的vlan主机使用不同的拓扑来转发数据。

5. 实现：

1. 不同的vlan关联不同的实例
2. 不同的实例的选择不同的交换机作为根交换机
3. 不同的vlan通过不同的根交换机进行数据转发，从而确保设备的利用率，同时设备之间还能实现备份。

6. MSTP配置命令

1. stp mode mstp–设备缺省状态为mstp
2. stp region-configuration–进入MST域配置
3. region-name name–指定交换机MST域名，如ttt，HCIE等
4. instance 16 vlan 16–指定vlan16的生成树实例id是16。第一个16为实例id，第二个16为vlanid。实例id取值范围0-4094，0是CIST
5. stp [instance instance-id] root ｛primary | secondary｝
1. instance-id是实例编号，如果不知道，则该设备在实例0上为根网桥/备份根网桥设备。
2. primary–配置为根网桥，配置后设备优先级为0，将不能更改设备优先级。
3. secondary–配置为备份根网桥，配置后设备优先级为4096，将不能更改设备优先级。
6. stp [instance instance-id] priority priority
1. priority：指定当前交换机的优先级，0-61440，步长4096，缺省值是32768。
7. stp pathcost-standard｛dot1d-1998 | dot1t | leagcy｝
1. dot1d-1998–指定路径开销值的计算方法是IEEE.802.1-1998标准方法，取值范围0-65535
2. dot1t–指定路径开销的计算方法是IEEE802.1t标准方法，取值范围1-20,000,000
3. legacy–指定路径开销计算方法是华为计算方法，取值范围是1-200,000
8. stp [instance instance-id] port priority priority
1. priority:指定端口在生成树计算时的优先级。整数形式，取值范围0-240，步长16，如0，16，32等
9. display stp region-configuration–查看MST域名和实例的映射关系
10. display stp brief–查看MSTP和vlan的映射关系

三种生成树协议的比较

1. STP：
- 形成一颗无环的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
- 收敛速度慢。
2. RSTP：
- 形成一颗无环的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
- 收敛速度快。
3. MSTP：
- 形成多棵无环的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
- 收敛速度快
- 多棵生成树在vlan之间实现负载均衡，不同vlan的流量按照不同的路径转发。