STP生成树

概述：

STP（Spanning Tree Protocol）生成树协议将环形网络修剪成为一个无环的树型网络，避免报文在环形网络中的增生和无限循环。

一个集成网络难免会出现环路，环路会产生广播风暴，最终导致整个网络资源被耗尽，网络瘫痪不可用。同时，环路还会引起MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏。

为了破除环路，产生了数据链路层协议STP，运行该协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个端口进行阻塞，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发送，避免形成广播风暴，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

端口状态

端口	目的	说明
Disabled（禁止）	处于关闭或未启用STP的状态	状态为Down
Blocking（阻塞）	不能转发数据，但可以接收STP的BPDU信息	阻塞端口
Listening（监听）	若端口被选举为根端口或指定端口，它会转换到监听状态	过渡端口（15s）
Learning（学习）	端口开始学习MAC地址，同时继续收发BPDU信息，但依旧不转发用户数据	防止临时环路
Forwarding（转发）	收发BPDU信息，学习MAC地址，并转发数据流量	根端口和指定端口会进入转发状态

BPDU报文格式

BPDU封装格式

BPDU被封装在以太网数据帧中，遵循IEEE 802.3标准。具体来说，BPDU的封装包括以下几个部分：

目的MAC地址：BPDU的目的MAC地址是组播地址01-80-C2-00-00-00，表示该帧是发送给网络中的所有STP交换机。

Length字段：指后续数据的字节长度，但不包括CRC（循环冗余校验）字节。

LLC头：逻辑链路控制（LLC）头部，其中目的服务访问点（DSAP）和源服务访问点（SSAP）的值通常为0x42，控制字段值为3。

BPDU报文头：随后是BPDU报文头，包含了STP协议的各种信息和参数。

BPDU报文内容

BPDU报文内容主要包括以下几个字段：

Protocol Identifier：协议标识符，值为0，占用2字节。

Protocol Version Identifier：协议版本标识符，STP为0，RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议）为2，MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol，多生成树协议）为3，占用1字节。

BPDU Type：BPDU类型，占用1字节。具体类型包括：

0x00：STP的配置BPDU。
0x02：RSTP BPDU或MSTP BPDU。
0x80：STP的TCN（Topology Change Notification，拓扑变化通知）BPDU。

Flags：网络拓扑变化标志，占用1字节。其中，最高位表示拓扑变化确认（TCA）标志，最低位表示拓扑变化（TC）标志。

Root Identifier：当前根桥的BID（Bridge Identifier，桥标识符），共占用8字节。前2个字节是网桥的优先级，后6个字节是网桥的MAC地址。

Root Path Cost：根路径开销，即从本端口到根桥的开销，占用4字节。

Bridge Identifier：发送者的BID，同样是前2字节是网桥优先级，后6字节是网桥MAC地址，共占用8字节。

Port Identifier：发送端口的PID（Port Identifier，端口标识符），占用2字节。

Message Age：标识BPDU的消息年龄，如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。每经过一个桥，Message Age增加1，占用2字节。

Max Age：标识消息老化的年龄，即BPDU报文老化的时间，缺省值是20秒，可选范围是6-40秒，占用2字节。

Hello Time：发送两个相邻BPDU的时间间隔，缺省值是2秒，可配置的时间范围是1-10秒，占用2字节。

Forward Delay：控制Listening状态和Learning状态的持续时间，缺省值是15秒，可配置范围是4-30秒，占用2字节。

选举过程

选出根桥（Root Bridge）

STP开始时，网络中的每个桥（交换机）都会宣称自己是根桥，并广播自己的桥ID给网络中的其他桥。桥ID由桥优先级（默认为32768）和桥MAC地址组成。具有最低桥ID的桥会被选为根桥。

选出根端口（Root Port）

在每个非根桥上，STP会选择一个端口作为根端口，该端口是到达根桥的最短路径上的端口。STP会考虑路径成本（由端口速度和配置决定）和桥ID来确定哪个端口是最佳的根端口。

选出指定端口（Designated Port）

在生成树的每个网段（由两个桥之间的链路分隔开的部分）上，STP会选择一个端口作为指定端口。这个端口负责向该网段转发帧。选择指定端口的依据包括到达根桥的路径成本、发送者桥ID、发送者端口ID等。

4. 阻塞其他端口（Blocking Other Ports）

在选择了根端口和指定端口之后，STP会将非根桥上的其他端口置于阻塞状态（Blocking）。这些端口不参与帧的转发，但会监听网络中的STP消息，以便在需要时快速转换状态。

STP拓扑发生改变的原因

1、端口从forwarding状态过渡到disable或blocking状态。

2、非根桥如果从指定端口接收到TCN BPDU包，需要向根桥装发TCN BPDU包。

3、端口进入转发状态，并且本地已存在一个指端端口。

STP拓扑改变过程

检测拓扑变化：

当网络中的设备检测到拓扑变化时（如链路断开、设备故障等），会触发STP的重新计算过程。
STP通过BPDU的交换来检测拓扑变化。BPDU分为两种：配置BPDU和TCN BPDU。

重新计算生成树：

在检测到拓扑变化后，STP会重新计算生成树拓扑，以确保网络的连通性和无环路。
这个过程包括重新选举根桥、根端口和指定端口，以及更新非指定端口的状态。

加速MAC地址表老化：

拓扑变化后，交换机中的MAC地址表可能包含过时的表项，这些表项会导致数据转发错误。
STP通过发送TCN BPDU来加速MAC地址表的老化过程。根桥在收到TCN BPDU后，会在后续的配置BPDU中设置TC（Topology Change）标志位，通知下游设备将MAC地址表的老化时间从默认的300秒缩短为Forward Delay时间（默认为15秒）。

收敛过程：

STP的收敛时间取决于多种因素，包括Max Age（BPDU的最大存活时间，默认为20秒）和Forward Delay（端口从监听状态到转发状态的延时，默认为15秒）。
在拓扑变化后，STP的收敛时间通常为Max Age加上两倍Forward Delay的时间，即大约50秒。

STP的基础配置命令

1、配置生成树工作模式

[huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }

交换机支持STP、RSTP和MSTP三种生成树工作模式，默认工作在MSTP模式

2、配置根桥

[huawei] stp root primary

配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。

3、备份根桥

[huawei] stp root secondary

配置当前设备为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为4096，并且不能更改设备优先级。

4、配置交换机的STP优先级

[huawei] stp priority 32768

缺省情况下，交换机的优先级取值为32768

5、配置接口的路径开销

[huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }

配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t（dot1t）标准方法。同一网路内所有交换机的接口路径开销应使用相同的开销算法。

[huawei-GigbitEthernet0/0/1] stp cost 100

设置当前接口的路径开销值。使用华为计算方法时参数cost取值范围是1～200000。使用IEEE 802.1d标准方法时取值范围是1～65535。使用IEEE 802.1t标准方法时取值范围是1～200000000。

6、配置接口优先级

[huawei-intf] stp priority 128

配置接口的优先级。缺省情况下，交换机接口的优先级取值为128

7、启用STP/RSTP/MSTP

[huawei] stp enable

使能交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，设备此功能处于启用状态

STP配置例子

[Huawei]display stp

[Huawei]dis int vlan 1

[Huawei]display stp brief

概述：

相关概念：

根桥（Root Bridge）：

BID（Bridge，ID桥ID）：

PID（Port ID，端口ID）：

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）：

RP（Root Port，根端口）：

DP（Designated Port，指定端口）：

AP（Alternate Port，预备端口）：

BP（Backup Port，备份端口）：