STP思维导图

STP技术概念

生成树协议概述

IEEE 802.1d STP（生成树协议，Spanning-Tree Protocol）协议：
①使冗余端口置于“阻塞状态”
②网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效
③当这个链路出现故障时，将处于“阻塞状态”的端口重新打开，从而确保网络连接稳定可靠

产生背景

网络链路和设备的冗余性（避免网络不够健壮导致的单点故障）
链路的冗余会形成交换网络的环路

冗余拓扑

既要冗余还要无环，使用自动化的形式来实现→STP
物理链路上的冗余，但是逻辑上是要破除二层的环路的

环路的影响

• 广播风暴
  概念：广播信息在网络中不断的转发，直至导致交换机出现超负荷运转，最终耗尽所有带宽资源、阻塞全网通信
  
  工程现场：如果发现交换机的灯疯狂闪烁→肯定存在环路
  如何解决广播风暴：无解、重启设备
  二层的广播报文，没有TTL的限制，会一直存在，并且二层环路，越来越多

• 多帧复制
  概念：单播的数据帧被多次复制传送到目的站点
  

• MAC地址表抖动
  概念：由于相同帧的拷贝在交换机的不同端口上被接收而引起的 MAC地址表不稳定
  

交换机的一个接口能对应多个MAC地址，但是，一个MAC地址只能对应一个接口
MAC地址被反复的记录在交换机的不同接口上，引起CAM表的抖动，影响交换机的正常通信

STP技术工作原理

如何实现

• 通过协议：STP IEEE=802.1d
  阻塞网络中的某一个接口（从逻辑上），实现物理链路正常链接，逻辑上关闭（down)，避免环路的危害
• 具体要阻塞哪一个接口？
  交换机之间协商出来的→BDPU报文，交换机通过BPDU中的关键参数，进行选举，选举出来的结果，就是要阻塞的端口

选举过程

SPT路径成本

• 路径成本的计算和链路的带宽相关联
• 根路径成本就是到根网桥的路径中所有链路的路径成本的累计和
  

每个广播域选择一个根桥

• 根桥（Root Bridge）：网络中倒数的根，整网络中只存在一个根
• Root bridge 桥=交换机
• 比较BPDU中的关键参数BID（bridge id） 桥优先级（0-65535）+MAC地址
• 根桥是从所有的交换机中选举出来的，BID优先级越小越优先，如果优先级相同比较MAC地址，越小越优先
• 非根桥（Non-Root Bridge）：除了根以外的所有桥，都是非根桥

桥ID修改方法

• 修改桥优先级方法1：stp root primary/secondary ———— 将优先级直接改成0
• 修改桥优先级方法2：stp priority <0-61440> ———— 将优先级改成比默认值小的

每个非根桥上选择一个根端口

• 根端口（Root Port）：每个非根桥离根桥最近的端口

• 所有非根桥交换机的端口都参加选举

• cost of path→端口到达根桥路径开销

• sender bid→这个接口对端交换机的BID，越小越优先

• sender pid→由优先级（0-255，默认128）+端口编号组成的 优先级和端口编号越小越优先

• local pid
  
  修改根端口

• 修改根端口的cost值
  [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ？ INTEGER<1-200000000> Port path cost

• 端口的PID修改方法
  [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ？ INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

每个段选择一个指定端口

• 指定端口（Design Port)：无环路的可以转发数据的端口
• 所有的非根桥交换机空余链路中选出来的指定端口（在两台交换机之间的链路上选举出来的）
• 选举方式：COST值 （此处的COST值是当前接口所在交换机到达根桥的开销）
• 如果开销值一样：local BID：所在根桥的BID local PID：
• 根桥上所有的端口都是指定端口
• 根端口对端交换机的接口也是指定端口
  

最后选出阻塞端口（非指定端口）

• 阻塞端口（Blocking Port）：有环路的需要被阻塞的端口
  

STP的状态机制

端口状态

• disable→不会参加STP的选举（可能端口没有打开，或者没有连线）

阻塞状态（Blocking）

• 概念：不能接收或者传输数据，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU
• 在选举之前，所有端口从disable过度到的第一个状态
  在选举结束之后，被阻塞的端口，就是阻塞状态

监听状态（Listening）

• 概念：不能接收或者传输数据，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和发送BPDU
• 在监听状态下，交换机完成STP的角色的选举，选出根桥、根端口、指定端口、非指定端口
• 在选举结束之后，网络拓扑无环，处于一种比较稳定的状态

学习状态（Learning）

• 概念：不能传输数据，但可以发送和接收BPDU，也可以学习MAC地址
• 交换机转发数据，依靠CAM表，交换机的接口开始学习MAC地址来形成CAM表
• 如果交换机接口从监听状态直接跳跃到转发状态，在最开始的时候，交换机的CAM表是空的，在网络中，会有大量的泛洪的数据

转发状态（Forwarding）

• 概念：能够发送和接收数据、学习MAC地址、发送和接收BPDU

STP计时器

• 概念：阻塞到转发状态通常要30-50s（默认50s，即20+15+15），这个时间也可以通过配置生成树计时器来调整

Hello时间

• 概念：根网桥发送配置BPDU的时间间隔 缺省为2s

转发延迟时间

• 概念：侦听到学习状态，或者学习状态转换到转发状态所需要的时间 缺省为15s

最大存活期

• 概念：在丢弃BPDU之前，网桥用来存储BPDU的时间，缺省为20s。如果连续收不到10个bpdu（20s的时间），开始进入listening状态

STP的拓扑变更

• 拓扑变更机制的目的：让其他交换机快速刷新CAM表，将这些无用的信息快速刷新掉，节省计算和带宽资源
• TCN（top change notice）→最先感知到top变化的交换机发送到报文，这个报文最终将要被传递到根桥
• TCN ACK：当交换机收到一个TCN报文的时候，向发送TCN的交换机发出的回复报文
• TC：根桥发出的，用于通知全网交换机，网络拓扑发生了变化（35s)
• 当交换机收到TC的时候，会将自己的CAM表老化时间由原来的500s调整到15是s，快速的将CAM表进行刷新，刷新之后就不再由关于发送故障交换机的MAC地址信息了

STP的特性

port fast

• 链接终端的接口，不会连接其他的交换机，所以也不会出现环路，但是这些接口依然受控于STP，当接口在启用的时候，依然要经历30-50s时间，所以要把连接终端的端口的选举机制去掉，让这些端口在启用后，迅速的进入到转发状态

bpdu guard/bpdu保护

• 只配置portfast的缺陷：当边缘端口/配置了portfast的端口接入交换机的时候，交换机会发送bpdu，则portfast接口会重新参与stp计算，造成环路或者二层的网络动荡
• 当交换机的portfast接口收到BPDU报文的时候，接口会切换到down（huawei）/err-disable（Cisco）的状态

bpdu filter

背景：

1. 全局配置BPDU filter
   希望这个接口处于边缘接口的角色，但是也可以接入交换机设备，一旦收到BPDU的时候，就会消失掉portfast的特性，成为一个普通的stp的端口

2. 在接口情况下配置bpdu filter
   相当于关闭了STP的功能，当收到BPDU的时候，可能会导致二层环路

uplink fast

• 主要作用：主动向其他交换机发送自己下联PC的MAC地址信息，让其他交换机快速更新CAM表

backbone fast

• BackboneFast是对UplinkFast的一种补充，
• UplinkFast能够检测直连链路的失效；
• BackboneFast是用来检测间接链路的失效。
• 当启用了BackboneFast的交换机检测到间接链路失效之后，会马上使阻塞的端口进入监听状态，少了20S的老化时间。
  

RootGuard

• 如果新接入的交换机优先级更低，将抢占原有的根网桥
• Root Guard是一种强制的根保护措施，它的作用是防止意外（或者非法）加入的交换机成为网络中的根桥