STP工作原理和配置

为什么会使用STP协议？

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，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，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又能避免环路带来的各种问题。

环路引发的问题

1、交换机通信产生环路：交换机之间通过多条链路互连时，虽然能够提升网络可靠性，但同时也会带来环路问题。而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

2、广播风暴：环路会引起广播风暴；网络中的主机会收到重复数据帧。交换机性能会因此急速下降，导致业务中断。

3、MAC地址表震荡：环路会引起MAC地址表震荡。交换机根据所接收到的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。

STP的工作原理

1、STP的作用

STP通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份的目的。

在以太网中，二层网络的环路会带来广播风暴，MAC地址表震荡，重复数据帧等问题，为解决交换机网络中的环路问题，提出了STP协议。

STP的主要作用：

（1）消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路；

（2）链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连通性。

2、STP协议原理

网络收敛

（1）、选举一个根桥；

（2）、每个非根交换机选举一个根端口；

（3）、每个网段选举一个指定端口；

（4）、阻塞非根、非指定端口；

STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。

每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部，是STP网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种信息被称为BPDU。

STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口和预备端口。

指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。

根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。

如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

根桥选举的依据及过程

选举依据： STP中根桥的选举依据的是桥ID、MAC地址

桥ID： 由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。优先级范围0~65536。默认为32768。

选举过程：

①每一台交换机启动STP后，都认为自己是根桥，根桥上的所有端口都是指定端口；

②BPDU报文通过交换机的所有端口进行转发，当某一端口收到自己的BPDU报文时会将其阻塞掉；

③对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID，如果桥ID相同，再比较MAC地址大小。

④最后，在整个网络中里面会有一个桥ID最小的交换机，这个交换机就是整个网络的根桥。

比较交换机的桥ID优先级的方法：

在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。

比较交换机的MAC地址大小的方法：

MAC地址的长度是48比特（6字节），48位二进制数，12位16进制数组成，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f。

从左至右，逐位比较。比如：00:01:10:00:11:11 和00:10:00:00:00:00前者比后者要小。

如果比较位相同，则往后推一位再比较，最小的即为MAC地址最小。

根端口选举的依据及过程

选举依据： 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的①根路径开销、②对端BID（Bridge ID）、③对端PID（Port ID）和④本端PID

选举顺序：

1、对比本端口到根桥的根路径开销；2、对端桥ID；3、对端端口ID；4、本身端口ID；

①根路径开销： 交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC（Root Path Cost，根路径开销），并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。

②端口ID（Port ID）： 端口优先级+端口号；端口优先级的范围0~240，步长为16，即取值为16的整数倍。端口越小越优先，如果优先级一样，比较端口编号，也是越小越优先。 缺省情况下，端口的优先级为128。端口ID（Port ID）用来确定端口角色。

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每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个最近的衡量标准是靠路径开销来判定的，即路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中根路径开销字段的值，加上该端口本身的端口开销即为本端口路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。

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如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上，则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上，则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。

指定端口选举的依据及过程

选举依据： 非根交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、BID、PID。未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞。

每两台非根交换机之间每一条链路选举出一个指定端口。

选举规则：

1、对比交换机的根端口到根桥的根路径开销

2、对端桥ID

3、端口ID

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在网段上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU报文的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。

指定端口的选举也是首先比较累计路径开销，累计路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计路径开销和所在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。

网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。

端口状态转换

Forwarding： 转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。

Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。

Listening： 侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。

Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。

Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。

BPDU报文解读

为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。

BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。

配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。

TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，其中包含的重要信息如下：

根桥ID：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根桥。

根路径开销：到根桥的最短路径开销。

指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC地址组成。

指定端口ID：由指定端口的优先级和端口号组成。

Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期。

Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。

Hello Time：配置BPDU发送的周期。

Forward Delay：端口状态迁移的延时。

计时器

Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效。

Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。

Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。

3、STP拓扑变化

根桥故障

非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。

在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

直连链路故障

SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。 >SWB新的根端口会在30 秒后恢复到转发状态。

非直连链路故障

非直连链路故障后，SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒。

拓扑改变导致MAC地址表错误

在交换网络中，交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。

拓扑改变导致MAC地址表变化

拓扑变化过程中，根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。

4、STP的配置

STP模式

华为X7系列交换机支持三种生成树协议。

stp mode { mstp | stp | rstp }命令用来配置交换机的生成树协议模式。缺省情况下，华为X7系列交换机工作在MSTP模式。在使用STP前，STP模式必须重新配置。

配置交换机的优先级

通过修改交换机的优先级，可以配置交换机为根交换机。

基于企业业务对网络的需求，一般建议手动指定网络中配置高、性能好的交换机为根桥。

可以通过配置桥优先级来指定网络中的根桥，以确保企业网络里面的数据流量使用最优路径转发。

stp priority priority命令用来配置设备优先级值。priority值为整数，取值范围为0到61440，步长为4096。缺省情况下，交换设备的优先级取值是32768。另外，可以通过stp root primary命令指定生成树里的根桥。

配置路径开销

华为X7系列交换机支持三种路径开销标准，以确保和友商设备保持兼容。缺省情况下，路径开销标准为IEEE 802.1t。

stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }命令用来配置指定交换机上路径开销值的标准。

每个端口的路径开销也可以手动指定。此STP路径开销控制方法须谨慎使用，手动指定端口的路径开销可能会生成次优生成树拓扑。

stp cost cost命令取决于路径开销计算方法：

使用华为的私有计算方法时，cost取值范围是1～200000。

使用IEEE 802.1d标准方法时，cost取值范围是1～65535。

使用IEEE 802.1t标准方法时，cost取值范围是1～200000000。

配置验证

display stp命令用来检查当前交换机的STP配置。命令输出中信息介绍如下：

CIST Bridge参数标识指定交换机当前桥ID，包含交换机的优先级和MAC地址。

Bridge Times参数标识Hello定时器、Forward Delay定时器、Max Age定时器的值。

CIST Root/ERPC参数标识根桥ID以及此交换机到根桥的根路径开销。

display stp命令显示交换机上所有端口信息；display stp interface interface命令显示交换机上指定端口信息。其他一些信息还包括端口角色、端口状态、以及使用的保护机制等。

Q：根桥产生故障后，其他交换机会被选举为根桥。那么原来的根桥恢复正常之后，网络又会发生什么变化呢?

A：如果生成树网络里面根桥发生了故障，则其它交换机中优先级最高的交换机会被选举为新的根桥。如果原来根桥再次激活，则网络又会根据BID来重新选举新的根桥。

Q：端口开销和根路径开销的区别是什么?

A：根路径开销是到根桥的路径的总开销，而端口开销指的是交换机某个端口的开销。