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)。

1.随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如图，接入层交换机单链路上联，则存在单链路故障，也就是如果这根上联链路发生故障，交换机下联用户就断网了。另一个问题的单点故障，也就是交换机如果宕机，交换机下联用户也就断网了。

2.为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性但是也会产生环路，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。

BCMSN三层架构

三层架构：

接入层：提供端口的密度，用于用户终端的接入—二层交换机、AP

汇聚层（分布层）：流量的集合，DHCP/VLAN/STP/HSRP/VRRP/channel…

QOS/ACL

核心层：nat、高速路由转发

冗余—备份线路、设备、网关、UPS（电源）

二层环路带来的问题

1.广播风暴

（1）根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。

（2）本例中，SW3收到了一个广播帧将其进行泛洪，SW1和SW2也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SW3，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。

2.MAC地址漂移问题

（1）交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。

（2）本例中，SW3收到一个广播帧泛洪，SW1从GEO/0/1接口接收到广播帧后学习且泛洪，形成MAC地址5489-98EE-788A与GEO/0/1的映射;SW2收到广播帧后学习且泛洪，SW1再次从GEO/0/2收到源MAC地址为5489-98EE-788A的广播帧并进行学习，5489-98EE-788A会不断地在GEO/0/1与GEO/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。

3.多帧复制---这个好理解，同一个数据帧被重复收到多次，被称为多帧复制。

为了保证备份链路的存在，并且不会出现二层环路，所以，我们设计了STP协议。

（1）STP通过构造—棵树来消除交换网络中的环路。

（2）运行STP算法，判断网络中存在环路的地方并阻断冗余链路，将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免了数据帧在环路网络中的增生和无穷循环。

（1）交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整。

(如图，交换机上运行STP协议，会通过报文监控网络的拓扑结构，正常情况下是将SW3上的一个接口进行阻塞（Block)，从而打破环路，当监控到SW1与SW3之间出现链路故障，则恢复阻塞端口进入转发状态。)

（2）因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

生成树协议原理:在二层交换网络中，逻辑的阻塞部分的接口，实现从根交换机到所有节点唯一的路径且为最佳路径，生成一个没有环路的拓扑。当最佳路径出现故障时，个别被阻塞的接口将打开，形成备份链路。

802.1D生成树

生成树是相对比较早的一个协议了，所以，也经历了多种版本的更替。我们现在常见的主要是802.1D生成树(最早期的生成树种类)，RSTP(快速生成树协议---定义在802.1W中，也被称为802.1W生成树)，MSTP(多生成树协议---定义在802.1S中，也被称为802.1S生成树。)

我们首先需要关注的是最基本的802.1D生成树协议，其他版本都是在802.1D的基础上改进的本质原理相同。

STP的BPDU

所谓BPDU --- Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元---其实就是STP生成树需要发送的数据包的叫法。

1.BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。

2.STP交换机之间会交互BPDU报文，这些BPDU报文携带着一些重要信息，正是基于这些信息，STP才能够顺利工作。

BPDU主要分为两大类

1.配置BPDU

2.TCN BPDU

其中，配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键;TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发

配置BPDU

配置BPDU的报文格式

1.配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键

2.只有根网桥主动发送配置BPDU，其他非根网桥都只是转发根网桥发送的配置BPDU。

RPC

COST

接口cost是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值，该值存在默认值，与接口的速率有关联，并且设备使用不同的算法时，相同的接口速率对应不同的Cost值。

(华为设备默认采用的是802.1t标准;华三设备默认使用的是自定义标准)

配置BPDU的工作过程

所有交换机刚启动，所有接口都激活STP，一开始，并不知道谁是根，则所有设备都将判定自己为根网桥，从字节的所有激活了STP的接口发送配置BPDU，则其中将包含本机参数。之后，所有设备都交换参数后，将根据参数数值进行选举，之后，将选举出一个真正的根网桥。之后，只有根网桥将周期的发送配置BPDU，而其他非根网桥只能在接受到根网桥发送的BPDU后进行转发。(转发时可以修改其中的参数。)--发送周期为2S，MAX AGE --- 20S。

TCN BPDU

TCN BPDU的报文格式

仅拥有配置BPDU的前三个参数，其中BPDU类型字段为Ox80。

TCN BPDU的工作原理

TCN BPDU ---本地交换链路故障后，STP将重新收敛，为了加快刷新交互机的MAC地址表，将向本地所有STP接口发出TCN BPDU，邻居交换机收到TCN BPDU后将回复一个TCA位置1的配置BPDU，用于可靠性传出，之后将TCN BPDU逐级转发到根网桥处，由根网桥下发TC标记位置1的配置BPDU，逐级下发给所有的交换机，所有交换机在收到后将临时的将300S的MAC地址老化时间改为15S。

STP的角色

1.STP中一共存在四种角色

1.根网桥（也叫根桥)--- RB

（1）STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“树”(STP树)。

（2）根桥是一个STP交换网络中的“树根"。

（3）STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的“树根"。

2.根端口--- RP

（1）每台非根网桥有且仅有一个接口将被选择为根端口，用来接受根网桥的BPDU

（2）一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口"的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。

（3）在选举出根桥后，根桥仍然持续发送BPDU，而非根桥将持续不断的收到根桥发送的BPDU。因此，在所有非根桥上选举一个距离根桥"最近"的端口（根端口)，在网络收敛后，根端口将不断的收到来自根桥的BPDU。

（4）即:根端口保证了交换机与根桥之间工作路径的唯一性和最优性。

3.指定端口--- DP

（1）每条链路存在一个接口为指定接口，用来发送或者转发根网桥的BPDU

（2）网络中的每个链路与根桥之间的工作路径必须是唯一的且最优的。当一个链路有两条及以上的路径通往根桥时（该链路连接了不同的交换机，或者该链路连接了同一台交换机的不同端口)，与该链路相连的交换机(可能不止一台）就必须确定出一个唯一的指定端口。

（3）因此，每个链路(Link)选举一个指定端口，用于向这个链路发送BPDU。

4.非指定端口--- NDP

（1）所有剩余接口，没有任何角色，都属于非指定接口，非指定接口将被阻塞。

STP角色选举

1.根网桥选举

如图:根桥的选举先比较优先级，交换机SW1、2、3的优先级相等，则比较MAC地址，也优选最小的,所以SW1的BID最小，因此sw1为根桥，SW2和SW3为非根桥。

2.根端口选举

选举过程:

1.交换机有多个端口接入网络，各个端口都会收到BPDU报文，报文中会携带"RootID、RPC.BID、PID"等关键字段，端口会针对这些字段进行PK。

⒉.首先比较根路径开销(RPC)，STP协议把根路径开销作为确定根端口的重要依据。RPC值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为根端口。

3.当RPC相同时，比较上行交换机的BID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的BID，值越小，越优选，因此交换机会选上行设备BID最小的端口作为根端口。

4.当上行交换机BID相同时，比较上行交换机的PID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的PID，值越小，越优先，因此交换机会选上行设备PID最小的端口作为根端口。

5.当上行交换机的PID相同时，则比较本地交换机的PID，即比较本端交换机各个端口各自的PID，值越小，越优先，因此交换机会选端口PID最小的端口作为根端口。

3.指定端口选举

指定端口也是通过比较RPC来确定的，选择RPC最小的作为指定端口，如果RPC相同，则比较BID和PID

1.首先比较根路径开销(RPC)，值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为指定端口。

2.若RPC相等，则比较链路两端交换机的BID，值越小，越优选，因此交换机会选BID最小的交换机的端口作为指定端口。

3.若BID相等，则比较链路两端端口的PID，值越小，越优选，因此交换机会选PID最小的交换机的端口作为指定端口。

4.非指定端口选举

1.STP会对这些非指定端口进行逻辑阻塞，即这些端口不能转发由终端计算机产生并发送的帧用户数据帧)。

2.—旦非指定端口被逻辑阻塞后，STP树(无环路工作拓扑）就生成了。

3.注意:非指定端口可以接收并处理BPDU。

STP的接口状态

接口状态的迁移

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:

1.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。

2.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。

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

4.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。

5.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。

STP的收敛时间

802.1D生成树在收敛时主要是基于计时器收敛的。

首次收敛

首次收敛，所有设备最先进入的是阻塞状态，需要先停留20S(最大寿命时间)之后进入侦听，此状态停留15秒选举角色，之后进入学习状态，再停留15S，总共50S。

结构突变

1.根桥故障

根桥故障

（1）在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。

（2）如果根桥发生了故障，停止发送BPDU，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。

（3）如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age计时器（缺省:20s)就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。

端口状态:

（1）SW3的预备端口，20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。

收敛时间:

（1）根桥故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

2.直连链路故障

直连链路故障:

（1）当两台交换机间用两条链路互连时，其中一条是主用链路，另一条为备用链路。

（2）当网络稳定时，交换机SWB检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会进入用户流量转发状态。

端口状态:

（1）备用端口会从Blocking状态，迁移到Listening-Learning-Forwarding状态。

收敛时间:

（1）直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态。

3.非直连链路故障

非直连故障

（1）在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。

（2）若SW1与SW2之间的链路发生了某种故障（非物理故障)，因此SW2一直收不到来自根桥SW1的BPDU报文，Max Age计时器（缺省:20 s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效。

（3）此时，非根桥SW2会认为根桥失效，并且认为自己是根桥，从而发送自己的配置BPDU给SW3，通知SW3自己是新的根桥。

（4）在此期间，SW3的预备端口一直收不到包含根桥ID的BPDU，Max Age计时器超时后，端口进入到Listening状态，开始向SW2“转发"从上游发来的包含根桥ID的BPDU。

（5）因此，Max Age定时器超时后，SW2和SW3几乎同时收到对方发来的BPDU，再进行STP重新计算，SW2发现SW3发来的BPDU更优，就放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。

端口状态:

（1）SW3预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。

收敛时间:

（1）非直连故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

STP基本配置

1.配置生成树工作模式

R是根端口，D是指定端口，A是阻塞端口

RSTP

802.1D生成树的缺点

1.STP协议虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断，这是用户无法忍受的。

2.STP没有细致区分接口状态和接口角色，不利于初学者学习及部署。

3.网络协议的优劣往往取决于协议是否对各种情况加以细致区分。

（1）从用户角度来讲，Listening、Learning和Blocking状态并没有区别，都同样不转发用户流量。

（2）从使用和配置角度来讲，接口之间最本质的区别并不在于接口状态，而是在于接口扮演的角色。

（3）根接口和指定接口可以都处于Listening状态，也可能都处于Forwarding状态。

4.STP算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢。

5.STP算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其他设备进行处理，传遍整个STP网络。这也是导致拓扑收敛慢的主要原因之一。

RSTP的改进点改进点

改进点1:端口角色

通过端口的增补，简化了生成树协议的理解于部署。

1.RSTP的端口角色共有4种:根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口。

2.根端口和指定端口的作用同STP中定义，Alternate端口和Backup端口的描述如下:

（1）从配置BPDU报文发送角度来看:

Alternate端口就是由于学习到其它网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

（2）从用户流量角度来看:

Alternate端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口。

Backup端口作为指定端口的备份，提供}另一条从根桥到相应网段的备份通路。

3.给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。

改进点2:端口状态

RSTP的状态规范缩减为3种，根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:

1.Discarding状态:不转发用户流量也不学习MAC地址;

2.Learning状态:不转发用户流量但是学习MAC地址;。

3.Forwarding状态:既转发用户流量又学习MAC地址。

改进点3: RST BPDU

1.RSTP的配置BPDU充分利用了STP报文中的Flag字段，明确了端口角色。

2.除了保证和STP格式基本一致之外，RSTP作了如下变化:

（1）Type字段:配置BPDU类型不再是0而是2，所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃。

（2）Flag字段:使用了原来保留的中间6位，这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU。

3.RST BPDU报文格式:

4.RST BPDU与STP配置BPDU报文格式不同点，包括:BPDU类型和Flag字段。

（1）BPDU类型，1 Byte，RST BPDU的类型值为Ox02。

（2）标志，1 Byte，包括:

bit 7: TCA，表示拓扑变化确认;

bit 6: Agreement，表示同意，用于P/A机制;.bit 5: Forwarding，表示转发状态;

bit 4: Learning，表示学习状态;

bit 3和bit2:表示端口角色，00表示未知端口，01表示替代或备份端口，10表示根端口，11表示指定端口;

bit 1 : Proposal，表示提议，用于P/A机制;. bit 0:TC，表示拓扑变化。

改进点4:配置BPDU的处理

改进点5:快速收敛机制

边缘接口的UP和Down不会引起拓扑的变动

注意:这个PIA机制是RSTP快速收敛的核心手段，因为他改变了STP依照计时器收敛的方法，可以理解为完成选举后立即切换状态，完成收敛。

1.事实上对于STP，指定端口的选择可以很快完成，主要的速度瓶颈在于:为了避免环路，必须等待足够长的时间，使全网的端口状态全部确定，也就是说必须要等待至少一个ForwardDelay所有端口才能进行转发。

2.而RSTP的主要目的就是消除这个瓶颈，通过阻塞自己的非根端口来保证不会出现环路。而使用P/A机制加快了上游端口进入Forwarding状态的速度。

PIA机制详解

改进点6:拓扑变更机制

1.在STP中，如果拓扑发生了变化，需要先向根桥传递TCN BPDU，再由根桥来通知拓扑变更，泛洪TC置位的配置BPDU。

2.在RSTP中，通过新的拓扑变更机制，TC置位的RST BPDU会快速的在网络中泛洪。·如上图所示:

（1）SW3的根端口收不到从根桥发来的RST BPDU后，Alternate端口会快速切换为新的根端口，启动TC WhileTimer，并清空状态发生变化的端口学习到的MAC地址。然后向外发出TC置位的RST BPDU。

(2)SW2接收到RST BPDU后，会清空接收口以外所有端口学习到的MAC地址，同时开启计时器，并向外发送TC置位的RST BPDU。

2.最终，RST BPDU会在全网泛洪。

改进点7:保护功能

BPDU保护

根保护

环路保护

MSYP

1.RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。但在划分VLAN的网络中运行RSTP/STP，局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，被阻塞后的链路将不承载任何流量,无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，导致链路带宽利用率、设备资源利用率较低

2.为了弥补RSTP/STP的缺陷，IEEE于2002年发布的802.1S标准定义了MSTP ( MultipleSpanning Tree Protocol，多生成树协议)。MSTP兼容STP和RSTP，通过建立多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。

MSTP概述

1.MSTP是IEEE 802.1S中定义的生成树协议，MSTP兼容STP和RSTP，既可以快速收敛，又提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

2.MSTP可以将一个或多个VLAN映射到一个Instance (实例)，再基于Instance计算生成树，映射到同一个lnstance的VLAN共享同一棵生成树。

3.如图中例子，经计算，最终生成两棵生成树:

(1)lnstance1对应的生成树以SW1为根交换设备，转发VLAN1~VLAN10的报文。

(2)lnstance2对应的生成树以SW2为根交换设备，转发VLAN11~VLAN20的报文。

(3)不同VLAN的报文沿不同的路径转发，实现了负载分担。

注意:生成树不是基于VLAN运行的，而是基于Instance运行的

MST Region

1.同一个MST域的设备具有下列特点:

(1)都启动了MSTP。

(2)具有相同的域名。

(3)具有相同的VLAN到生成树实例映射配置。

(4)具有相同的MSTP修订级别配置。

2.Instance0是缺省存在的，而且缺省时，华为交换机上所有的VLAN都映射到了Instance0。

3.通过设置VLAN映射表（即VLAN和MSTI的对应关系表)，把VLAN和MSTIl联系起来。

(1)每个VLAN只能对应一个MSTI，即同一VLAN的数据只能在一个MSTI中传输，而一个MSTI可能对应多个VLAN

MSTP的基本配置

[r1]stp mode mstp

默认存在组0，且所有vlan默认处于该组；优先级= 32768+0

分组

[sw1]stp enable

[sw1]stp region-configuration

[sw1-mst-region]region-name a 所有设备应在一个组内

[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5

[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10

[sw1-mst-region]active region-configuration 激活当前配置（必须配置该指令）

切记：若将创建某个组，但该组内的vlan，在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口；该组将没有任何信息；整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致；

定义本地为组1 的主根，组2 的备份根

stp instance 1 root primary 优先级修改为0

stp instance 2 root secondary 优先级修改为4096

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