前言

为了提高网络的可靠性，交换网络中通常使用冗余链路。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，进而影响整个网络的通讯质量。所以为了避免整个问题，我们采用生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

工作原理

随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用于主机之间的互联。如果交换机之间只有一条链路，则可能出现单点故障，导致业务中断。为了解决这个问题，一般交换机之间互联的时候，都采用冗余链路进行备份。虽然冗余链路增加了网络的可靠性，但是会产生环路，而环路会带来一系列的问题，最终影响整个网络的质量。

STP的作用：

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
链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时回复网络连通性

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。BPDU中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息,后面会有详细介绍。
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。

STP中根桥的选举依据的是桥ID,STP中的每个交换机都会有一个桥ID(BridgeID)。桥ID由16位的桥优先级(BridgePriority)和48位的MAC地址构成。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。
交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下,所有交换机启动时都认为自已是根桥,自己的所有端口都为指定端口,这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。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。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低,接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高,则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段,宣告新的根桥。

非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID(BridgeID)、对端PID(PortID)和本端PID。
交换机的每个端口都有一个端口开销(PortCost)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(RootPathCost,根路径开销),并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。
一般情况下,企业网络中会存在多厂商的交换设备,华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准,提供最大程度的兼容性。缺省情况下,华为X7系列交换机使用IEEE802.1t标准来计算路径开销。
运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID,端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240,步长为16,即取值必须为16的整数倍。缺省情况下,端口优先级是128。端口ID(PortID)可以用来确定端口角色。
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。
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。

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。

图中所示为STP的端口状态迁移机制,运行STP协议的设备上端口状态有5种:
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.

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(BridgeProtocolDataUnit)中。
sBPDU有两种类型:配置BPDU和TCNBPDU。
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。
sTCNBPDU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
MessageAge:配置BPDU在网络中传擎的生存期.
MaxAge:配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
HelloTime:配置BPDU发送的周期。
ForwardDelay:端口状态迁移的延时。

STP协议中包含一些重要的时间参数,这里举例说明如下:
HelloTime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HelloTime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。
MessageAge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MessageAge为0。实际实现中,配置BPDU报文每经过一个交换机,MessageAge增加1。
MaxAge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。MaxAge通过配置BPDU报文的传递,可以保证MaxAge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MessageAge和MaxAge进行比较:如果MessageAge小于等于MaxAge,则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果MessageAge大于MaxAge,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。

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