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技术来源

• 以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP(Spanning Tree Protocol) 。
• 运行STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个接口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

二层环路及危害

二层交换机网络的冗余性与环路

左图：在没有冗余的情况下，如果交换机发生故障，那就直接下层设备都无法进行上网，容易出现单点故障。
右图：虽然实现了冗余，但是很容易产生环路。现在下面的PC发送一个未知的单播包给接入层交换机，交换机在收到未知的数据包之后会进行泛洪转发，下面的交换机转发给上面的交换机，然后继续执行这个操作，因为这个数据包在二层根本就找不到，所以就会一致进行转发。

人为错误导致的二层环路

左图：由于技术人员的疏忽，把线缆错误的连接到了一起，导致二层环路的产生。
右图：两个交换机之间明明是要进行链路聚合，但是忘记进行做相应的操作，导致两台交换机之间直接成环路。

二层环路带来的问题

左图：当SW3收到一个未知的单播包之后，就会从两个其他的端口进行转发，因为一直找不到数据包的接收者，所以就会一直转发，成环。
右图：造成MAC地址漂移，因为一开始SW3从左边接口发出数据包之后，SW1从G0/0/1接口学习到这个地址，然后记录相应的对应表项。但是SW3也会从右边的端口进行转发，这样SW2收到之后又会转发给SW1的G0/0/2端口，SW1就会认为数据包中的MAC地址又跟G0/0/2是对应的，于是更换原来跟G0/0/1的对应关系，于是就产生了MAC地址漂移的现象。

STP生成树协议

在网络中部署了生成树之后，交换机之间会运行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或者某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路。（没运行STP之前，会一直来回传递，运行STP之后，会主动阻塞端口，于是就不会产生环路了）

另外，交换机上运行的生成树协议会持续的监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知这些变化，并且自动做出调整，因此，生成树既能解决二层环路问题，也能够为网络冗余提供一种方案。（好比现在SW3和SW1之间的链路发生故障，此时SW3就无法与外界进行通信了，此时之前阻塞的链路就可以恢复，继续进行信息传递。）

STP概述

• STP是一个用于局域网中消除环路的协议。
• 运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。
• STP在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。
• 由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。

STP基本概念

桥ID

• IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级（Bridge Priority)与桥MAc地址构成。
• 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。
• BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。
• 在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。
• 优先级默认为32768，并且以4096的倍数增加或者减少。
• 总之就是优先级+MAC地址，越小越好

根桥

• STP的主要作用就是在整个交换网络之中计算出一棵无环的“树”（SPT树）
• 根桥就是一个STP交换网络之中的“树根”
• STP开始工作之后，会在交换网络中选出一个根桥，作为 生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出无环拓扑的“树根”
• STP网络之中，桥ID最小的设备会被选举为根桥
• 在BID的比较过程之中，首先比较桥优先级，优先级的值越小则越优先，拥有最小优先级的交换机成为根桥，如果优先级相等，那么就继续比较MAC地址，MAC地址最小的交换机成为根桥。

COST

• 每一个激活了的STP接口都维护着一个COST值，接口的COST值主要用来计算根路径开销，也就是到达根的开销。
• 接口的缺省COST值除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP COST计算方法有关。
• 接口的带宽越大，那么COST值就越小。
• 用户也可以根据需要通过命令调整接口的COST值。

RPC（Root Path Cost）根路径开销

• 在STP进行拓扑计算的过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机的某个接口道根桥的“成本”，即RPC。
• 一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥道该设备沿途所有入方向接口的COST累加。
• 好比图中，SW3的G0/0/1接口到达根桥的RPC就等于图中接口1的COST加上接口2的COST。

PORT ID端口ID

• 运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景之下选举指定接口。
• 接口ID由两部分组成，高4bit是接口优先级，低12bit是接口编号。
• 激活STP的接口会维护一个默认的接口优先级，在华为交换上，默认值为128。用户可以根据需要，通过命令修改该优先级。

BPDU桥协议数据单元

• BPDU是STP能够正常进行工作的根本。里面包含了各种信息，好比谁是根桥，各种根路径开销等等。
• BPDU是STP的协议报文。
• STP交换机之间会交互BPDU报文，这些BPDU报文会携带着一些重要的信息，正是基于这些信息，STP才能够顺利工作。
• BPDU分为两种类型：
  • 配置BPDU（Configration BPDU）
  • TCN BPDU （Topology Change Notification BPDU）
• 配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键；TCP BPDU只有在网络拓扑发生变更时才会被触发。

配置BPDU的报文格式：

红色框中的最为重要。

STP的计算过程（1）：在交换网络中选举出一个根桥

• STP在交换网络中开始工作之后，每个交换机都认为自己是根桥，然后向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。
• 网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。
• 在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
• 根桥的角色是可以抢占的。
• 为了确保交换网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小的0.

STP的计算过程（2）：在每台非根桥上选举一个根接口

• 每一台非根交换机都会在自己的接口中选举出一个接口。
• 非根桥的交换机上有且只有一个根接口。
• 当非根桥交换机有多个接口接入网络时，根接口时其收到最优配置BPDU的接口。
• 可以形象的理解为，根接口是每台非跟桥上“朝向”根桥的接口。

STP的计算过程（3）：在每条链路上选举出一个指定接口

• 根接口选出来之后，非根桥会使用其在接口上收到的BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其它所有接口收到的配置BPDU进行比较：
  • 如果前者更优，则该接口成为指定接口；
  • 如果后者更优，则该接口为非指定接口；
• 一般情况之下，根桥的所有接口都是指定接口

如果既不是根端口也不是指定端口，那么它就是阻塞接口。

STP接口状态

• 禁用：就好比没有被STP激活的普通端口一样。
• 阻塞：本状态不能发BPDU，但是可以接收BPDU，因为在其它链路出现故障之后，含有阻塞接口的链路可以成为备用链路。
• 侦听：进行STP的计算，可以理解为内部进行选举。
• 学习：学习业务数据，但是不进行转发。
• 转发：根接口与指定接口进行转发。

STP接口状态迁移

其中侦听过程，也就是内部端口选举的过程需要15s，选举完成再进行业务数据的学习也要15s，最终才能进行转发状态。

拓扑变化——根桥故障

1. SW1根桥设备发生故障（此时链路没有出现故障，与直连链路故障进行区分），停止发送BPDU报文。
2. SW2等待MAX Age计时器（20s）超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，又因为收不到根桥发送的新的BPDU报文，从而得知上游出现了故障。
3. 于是非根桥会相互发送配置BPDU，重新选举新的根桥。
4. 经过重新选举之后，SW3的A端口经过两个Forward Delay（15s）时间恢复转发状态。
5. 非根桥会在BPDU老化之后重新开始选举。
6. 根桥故障的时间会导致50s的恢复时间，包括20s的老化时间+30秒的Forward Delay。
7. 根桥每2s发送一次配置BPDU。

拓扑变化——直连链路故障

图中SW1与SW2之间通过两根线进行相连。

1. 当SW1与SW2相连的上面一根线路发生断裂之后，线路断裂则SW2的端口接着进入DOWN状态。
2. SW2就可以立即感知到链路状况并且切换到备用链路。
3. 此过程就剩去了等待BPDU失效的20s，只需啊要2个Forward Delay即可，也就是进入到转发只需30s。

拓扑变化——非直连链路故障

1. 现在SW1与SW2之间的互联链路突然断掉了，SW3也就收不到最优的BPDU了。
2. 此时SW2会向SW3发送自身的BPDU，但是SW3收到之后会与自身记载的BPDU进行对比，发现不如自身的BPDU更优，于是不予理睬。
3. 等待20s老化时间到了之后，SW3意识到出现故障，于是重新进行选举，多加两个Forward Delay30s，总共50s恢复故障。

拓扑变化导致MAC地址表错误

1. 图中的MAC地址表正确的并且此时SW1与SW3之间的链路还没有断裂。
2. 此时，SW1与SW3相连的链路发生故障，SW3立即感知，阻塞接口需要30s的时间进入到转发状态。
3. 但是现在主机A发送给主机B的数据包就会仍然通过G0/0/3进行发送，这时就会出现故障。
4. 要等待MAC地址表老化要300s，时间非常长，那么，有什么办法可以加速正确的恢复转发呢？

TC BPDU（Topology Change BPDU）

简言之就是在拓扑发生变化的时候进行清理MAC地址表的。

1. TCN：用于向根桥通告有故障。
2. TCA：回复接收到了TCA报文。
3. TCN：向根桥发送TCN报文。
4. TC：这里有一个隐形的确认，只要给你发送TC默认意思是已经收到了TCN报文，TC报文用于清除MAC地址表。
5. TC：传送给SW3用于清除相关的MAC地址表。