STP协议概述

一、STP（生成树协议）概述

 

 

 

在二层交换网络中，一旦存在环路就会造成报文在环路内不断循环和增生，产生广播风暴，并且会导致MAC地址表震荡，从而占用所有的有效带宽，使网络变得不可用。

 

在这种环境下生成树协议应运而生，生成树协议是一种二层管理协议，它通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络二层环路的目的，同时具备链路的备份功能。

生成树协议和其他协议一样，是随着网络的不断发展而不断更新换代的。最初被广泛应用的是IEEE 802.1D-1998 STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议），随后以它为基础产生了IEEE 802.1w RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议）、PVST（Per VLAN Spanning Tree，每VLAN生成树）协议和IEEE 802.1s MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol，多生成树协议）。

 

STP相关概念：BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），用于传递STP协议相关报文。BPDU分类：1. 配置BPDU，用于传递STP的配置信息；2. TCN BPDU,用于通告拓扑变更信息。

 

 

二、STP的选举机制

 

1. 选择根网桥:在所有交换机中选举出一台作为根网桥（root bridge）；选举规则：Bridge-ID小的优先。Bridge-ID(桥ID,BID),用来标识交换机身份。格式：优先级+mac地址，优先级默认是32768,4096倍数。

 

2. 选择根端口：每台非根网桥（交换机）选举出一个根端口（root port）;选举规则：1、到达根网桥开销小的优先；2、对端交换机BID小的优先；端口ID小的优先。  开销（cost），代表路径耗费的代价和成本，带宽越大，开销越小。

 

3. 选择指定端口：每个物理网段选举出一个指定端口（Designated port）。选举规则：1、到达根网桥开销小的优先；2、本交换机BID小的优先；端口ID小的优先。  开销（cost），代表路径耗费的代价和成本，带宽越大，开销越小。

4. 阻塞其它端口：剩下没有角色的端口就是阻塞端口（Blocked port）。

 

三、STP初始化流程

 

交换机端口状态：

1. disable：禁用状态，被关闭的端口

2. blocking：阻塞状态：接受BPDU，但不发送BPDU，不学习mac地址，不转发数据

3. listening：监听状态，接受BPDU并发送BPDU，不学习mac地址，不转发数据，持续15秒（雷打不动）——开始STP选举工作

4. learning：学习状态，接受BPDU并发送BPDU，学习mac地址，不转发数据，持续15秒（雷打不动）

5. forwarding:转发状态，接受BPDU并发送BPDU，学习mac地址，转发数据。

 

从STP的初始化流程可以看出，交换机的接口从禁用到转发数据，至少需要30秒的时间，这也是STP被RST、MSTP取代的重要原因。

 

 

四、STP计时器

 

1. hello time，2秒，配置BPDU的发送周期；

2. max age，20秒，判断链路故障的时间，10个hello time周期；

3. forwarding delay,15秒，状态切换延迟。（STP初始化流程中的两个15秒）

 

 

五、STP拓扑变更机制

 

 1. Max age超时/有接口变更为转发状态，判断为拓扑发生变更，向根网桥发起TCN BPDU；

2. 收到TCN BPDU的交换机继续向根网桥转发TCN BPDU，到达根网桥为止；

3. 根网桥收到TCN BPDU后，向所有端口发起TC置位的配置BPDU；

4. 交换机收到TC置位的配置BPDU后，Mac地址表的老化时间缩短到15秒。

说明：链路故障导致STP端口角色切换后，交换机上网mac地址表可能还未老化（300秒）。在这期间，由于链路虽然切换过来，但是由于交换机的mac地址表不对，仍然不能转发数据（时间最长可达300秒）。所以需要STP的拓扑变更机制，缩短交换机的mac地址表的老化时间，让交换机可以更快转发数据。

 

五、STP的不足

 

从STP的拓扑变更机制中，可以看出STP明显存在下面两个不足：

1. 收敛速度慢，故障切换时间太长;（最快30-50秒，两个雷打不动15秒，还有最多10个 hello time——链路故障发现时间）

2. 网络中大量主机频繁上下线，会导致TCN BPDU以及TC置位BPDU大量发送。（交换机内垃圾报文太多，mac地址表不稳定，影响业务的稳定性。）

 

六、RSTP简介

 

RSTP(快速生成树协议)，收敛速度快，2-3秒。

快的原因：减少了端口状态；提前选好备份端口，故障切换时可以直接切换。

特点：

1. 端口状态减少到3种;

2. 端口角色增加到4种;根端口和指定端口不变,阻塞端口细分为2种,替代端口（Alternata port）--根端口的备份，备份端口（Backup port）--备份端口的备份

3. 引入边缘端口机制：当链路激活，边缘端口立即进入转发状态。不参与STP计算，边缘端口UP/DOWN不会触发拓扑变更；建议把连接PC、服务器的端口配置为边缘端口。

 

 

 

七、MSTP简介

 

在RSTP优势的基础上，通过不同vlan的流量负载均衡，解决了链路浪费的问题。

 

MSTP(多生成树协议)，将多个vlan捆绑到一个生成树实例，每个实例分别独立计算生成树；基于STP计算结果不同，实现不同vlan的流量负载均衡

 

 

八、STP测试

 

说明：拓扑图如下，其中cost为20，桥ID如下，BID：4096.B。4096表示优先级为，B表示MAC地址的前面部分，后面部分省略。

 

 

 

 

 

链路收敛后，如下。不清楚的可以看STP的初始化流程，还不清楚可以微信私信问我。

 

 

 

 

附：

 

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