STP----生成树协议

本文主要是介绍STP----生成树协议，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

目的：解决二层环路问题

跨层封装

广播风暴---广播帧在二层环路中形成逆时针和顺时针转动环路，并且无限循环，最终造成设备宕机，网络瘫痪。

MAC地址表的翻摆（漂移）---同一个数据帧，顺时针接收后记录MAC地址信息，之后，逆时针再记录一遍，如此循环，导致MAC地址表内容一直在变化

多重复数据帧

802.1D生成树

802.1D---标准的STP协议
802.1W---快速生成树---RSTP
802.1S---多生成树协议---MSTP

PVST--思科
VBST--华为

STP基本概念

桥ID---BID

每一台运行了STP协议的交换机都拥有一个唯一的桥ID。
桥ID===16bit的桥优先级+48bit的桥MAC地址
默认值=32768，修改时必须为4096的倍数

根网桥--根桥

根网桥指的就是STP树的树根节点

在交换网络中，STP协议开始工作后，第一件事就是在网络中选举出一台设备作为根网桥，根网桥有且只有一个。
所有的数据流量再流通的过程中，都会经过根网桥设备。

开销（Cost）和根路径开销（RPC）

每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算RPC。
- 默认情况下，交换机使用IEEE 802.1t标准计算接口开销值。需要保证交换网络中所有设备的STP开销值算法一致。

接口ID---PID

用来标定同一个设备上不同接口的
16bitPID===4bit接口优先级+12bit接口编号。
接口优先级默认值=128，修改时必须为16的倍数。

STP报文---BPDU

BPDU---网桥协议数据单元

配置BPDU----协商参数，保活
TCN BPDU----拓扑变更通知BPDU

数据帧的目的MAC地址是组播MAC地址：0180-c200-0000

配置BPDU

在交换网络的初始化过程中，每一台交换机都会从自己身上激活了STP协议的接口向外发送配置BPDU

当STP协议收敛完成，只有==根网桥==才会周期性（2s）发送配置BPDU；其他非根网桥只有在收到了根网桥发送的BPDU后，才可以发送自己的BPDU

PVI---协议版本信息：

STP=0
RSTP=2
MSTP=3

BPDU Type---BPDU类型

0x00--配置BPDU
0x80--TCN BPUD
0x02--RSTP或MSTP的BPDU

标记

最高位置为1，则代表TCA，拓扑变更确认标记
最低位置为1，则代表TC，拓扑变更标记

消息寿命

代表该BPDU从发出到现在所经过的设备数量，单位为设备数量
初始值=0，每经过一台交换机，数值+1
存在一个Max Hop参数---最大消息寿命，默认20

最大寿命----最大生存时间

缺省值20S，当超过该时间还没有从接口收到BPDU报文，认为该接口所在链路或根网桥故障

TCN BPDU

作用：在网络拓扑发生变化时，向根网桥通知变化的发生。

1、本地交换链路发生故障后，STP协议会重新收敛--收敛时间比较长，就会导致在这段时间内，数据通讯发生障碍。为了加快全网交换机的MAC地址表刷新，故障交换机会向本地所有接口发送TCN BPDU报文

2、邻居收到TCN报文后，回复一个TCA标记位置为1的配置BPDU报文，用于保障数据通讯可靠性

这个过程会一直持续到根网桥收到TCN报文

3、根网桥收到TCN报文后，会将自己的MAC地址表的老化时间从300S修改为15S，并向所有接口发送TC标记位置为1的配置BPDU

4、设备收到TC标记位的BPDU，会将本地MAC地址表中所有表项的老化时间临时性修改为15S

STP角色选举

根网桥--RB

选举范围：整个交换网络
选举方法：选举具备最小BID数值的设备。
默认情况下，所有设备的桥优先级都=32768,因此根据桥优先级对比不出根网桥，通过对比最小MAC地址来确定根网桥的位置。----通过配置BPDU
根网桥的地址是可抢占的。---一般情况下，会将根网桥的桥优先级设定为0，来保障根网桥的角色不会被抢占，从而引发STP协议的重新收敛，导致数据不通。

根接口---RP

根接口是每一个非根网桥设备上==所有接口中收到最优BPDU的接口==----每一个非根网桥在STP树上“朝上”的接口，距离根网桥最近的接口。
选举范围：每一个非根网桥，只会选举一个接口作为根接口。

最优BPDU比较原则

选择具有最小根桥ID的BPDU
这一条实上是在全网中选举出根网桥际
比较入向配置BPDU的RPC数值，选择最小的接口作为根端口。
比较对端设备的BID，选择BID小的设备所对应的接口作为根端口
对比对端的PID，PID小的端口所对应的端口为根端口
对比本地的PID，PID小的端口称为根端口

指定端口--DP

选举范围：在每条链路（网段）中选举一个指定端口。
- 该端口是该链路上到达根网桥的最优接口。---距离根网桥最近
- 负责向该网段（链路）发送BPDU报文。
对于非根网桥而言，所有接口中收到最优BPDU的接口将成为该设备的根接口。
- 然后设备根据收到的最优BPDU，来为设备上的其他接口各自计算一个BPDU报文，并且将其保存在接口中。
- 然后使用计算出的BPDU报文与接口上收到的BPDU报文进行对比。
  - 如果自己的更优，则本接口为这个链路上的指定端口。
  - 如果对方更优，则本接口会成为这个链路上的非指定端口。
- 最优BPDU比较内容
  - RPC
  - BID
  - PID
一般而言，根网桥的所有接口都是指定接口；存在根端口的链路上，对端必然是指定端口

非指定接口-NDP

经过STP计算后，交换机上某些接口既不是根端口，也不是指定端口，则称为非指定端口。而STP协议会在逻辑上阻塞非指定端口，从而打破二层环路。

被阻塞的端口，既不会发送和接收业务数据，也不会发送BPDU报文，但是可以接收BPDU报文。

STP角色选举过程

STP交换机初始启动后，都会认为自己是根网桥，并在发送给其他交换机的BPDU报文中宣告自己为根桥。
- 当交换机收到网络中其他设备发送的BPDU后，会比较BPDU重的根桥ID和自己的BID
- 交换机之间不断交互BPDU报文，同时对比BID信息，最终选举出一台BID最小的交换机作为根网桥，其他交换机为非根网桥。
- 根网桥的角色是可抢占的。当拥有更优BID的交换机加入网络时，网络会重新进行STP计算，选举出新的根网桥。
在选举出根网桥后，根网桥持续发送BPDU报文，而非根网桥持续接收BPDU报文，并计算自己的BPDU报文发送给其他设备。
每个交换机根据从自己不同接口收到的BPDU报文中选择出最优BPDU，从而选择出根端口
- 选举规则---越小越优
  - 比较RPC
  - 比较对端的BID
  - 比较对端的PID
  - 比较本地的PID
每台交换机的每一条链路选举一个指定端口
- 交换机将本接口与本接口收到的BPDU进行对比，若本地BPDU更优，则本接口称为指定端口。
- 比较规则---越小越优
  - RPC
  - BID
  - PID
交换机身上剩余端口成为非指定端口
- 非指定端口被STP协议在逻辑上阻塞，从而构造出STP树。
- 阻塞端口不能转发由终端设备产生并发送的数据帧，也不能转发BPDU，但是可以接收和处理BPDU报文。

根网桥的选举，因为STP协议的一切工作都是基于根网桥的位置而定的，如果根网桥位置选举不恰当，那么流量走向异常。

解决方案----三点合一（网关所在地、STP树根所在地、流量汇聚之地）

STP的接口工作状态

阻塞
- 设备激活STP协议后进入的第一个状态
- 不能收发业务数据、不能学习MAC地址、不能发送BPDU，但是可以接收BPDU。
- 目的：将二层网络中的所有数据报文全部清空。
- 每个设备需要在阻塞状态停留20S时间。进入下一个状态
侦听
- 目的：完成STP的所有角色选举过程。
- 接口可以收发BPDU报文，但是不能收发业务数据，也不能学习MAC地址。
- 需要在侦听状态停留一个转发延迟时间（15S）。
- 当转发延迟时间超时后，跟端口和指定端口会进入下一个状态，而非指定端口会退回到阻塞状态。
学习
- 目的：学习MAC地址，从而填充MAC地址表项
- 可以收发BPDU报文，可以学习MAC地址，不能收发业务数据。
- 需要在学习状态停留一个转发延迟时间（15S）。
转发
- 可以正常收发业务数据和BPDU报文。
- 只有根端口和指定端口可以处于转发状态。