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STP协议简介与实例分析（简介内容为引用自网络博客）STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写，是OSI网络互联模型中的第二层（Date Link Layer）中的协议。STP是基于什么需要所开发的协议：一个优秀的网络工程师，冗余的思想是尤为重要的，因此在做某些网络互联的项目时，会使用多个交换机Switch进行保障通信，避免单点故障。可是如果几个 交换机同时作用时，难免会发生一些问题：1，广播风暴。一个PC或者Host Server 发送一个广播broadcast，从而使形成环路的交换机不停的泛洪（由于交换机是二层设备，没有网络层封装帧的TTL数，所以这种广播风暴更为严重）， 直到网络堵塞。2，帧的多重复制。由于多台Switch转发数据，可以使目标路由器接收到几个相同的帧，这在三层路由的一些协议中，会出现故障。 3，MAC地址表不稳定。由于交换机中MAC表中，一个端口可对应多个MAC地址，而一个MAC无法对应多个端口。然而在多个Switch同时作用环路 时，难免会造成MAC表学习重复，使MAC地址对应的端口不断被覆盖，造成MAC地址表不稳定。基于以上问题，开发出来了STP生成树协议，该协议可应用于环路网络，通过一定的算法实现路径冗余，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。生成树协议STP/RSTP一. 技术原理：STP的基本思想就是生成“一棵树”，树的根是一个称为根桥的交换机，根据设置不同，不同的交换机会被选为根桥，但任意时刻只能有一个根桥。由根桥开 始，逐级形成一棵树，根桥定时发送配置报文，非根桥接收配置报文并转发，如果某台交换机能够从两个以上的端口接收到配置报文，则说明从该交换机到根有不止 一条路径，便构成了循环回路，此时交换机根据端口的配置选出一个端口并把其他的端口阻塞，消除循环。当某个端口长时间不能接收到配置报文的时候，交换机认 为端口的配置超时，网络拓扑可能已经改变，此时重新计算网络拓扑，重新生成一棵树。 总之，其目的就是在不影响冗余的情况下，避免交换机环路的出现。具体的选举步骤为：1、One root bridge per network（在网络中选一个根桥）2、One root port per nonroot bridge（在每一个非根桥中选举一个根端口称为RP）3、One designated port per segment（在每条链路中选举一个指定端口称为DP）4、Nondesignated ports are unused（剩下的一个端口为BLOCK状态）选举原则：1，在所有交换机中Bridge ID越低，越优先。【先介绍一下Bridge ID，Bridge ID又两部分组成，Bridge Priority，MAC Adress。Bridge Priority为桥优先级，默认为32768；MAC Adress就是交换机的MAC地址。桥ID先比较优先级，优先级低的则桥ID低，优先级默认一直时，比较MAC地址。（注：如果想把指定交换机设为根桥，可把改交换机的Bridge Priority设为更低，一般设为0】2，选举根端口时，按照以下原则。COST-Port ID,先比较COST值，即该端口到根桥的花费。COST值越低越优先。【COST值】带宽 COST10Gps 21Gps 4100M 1910M 100如果COST值相同的话，再比较所连接的网桥ID,最后比较Port ID,优先级默认相同时比较端口编号Port 0优先与Port 1。3，选举DP，规则为COST-Bridge ID。先比较COST，当COST相同时，再比较所在桥ID，桥ID越小越优先。桥ID一致时，比较端口ID。4，最后剩下的那个唯一的端口即为BLOCK状态，即不运作，但会接收BPDU报文，监听其他正常使用的交换机是否工作正常，如不正常立即启用。（一般情况下，桥优先级的数值Bridge Priority是决定桥ID即桥在STP根选举以及根端口和指定端口在开销一致下选举过程中的优先等级，只在一种情况下例外，即默认出厂时，桥优先级数值默认一致时，交换机自动比较MAC地址决定桥ID即选举优先等级，但这种默认情况在我们需要自行设计配置STP的时候意义是不大的，因此我们一般都用改动Bridge Priority值的方式来作为设计STP的关键）Spanning-tree transits each port through several different states:1，收BPDU报文，如20s没有收到回包，即转入下一步骤。-只可收BPDU报文2，Listening 届时15s 此期间，会进行STP选举-可以收、发BPDU报文，不转发用户数据3，Learning 届时15s 此期间会学习MAC地址，为以后减少泛洪流量做准备4，Forwarding 以上可以看出，STP协议会持续50s，这就是有的PC开机后50s后才可以上网，进行数据传输。为此，由开发了RSTP协议（快速生成树协议），收敛速度可达到1s。二. 功能介绍：生成树协议最主要的应用是为了避免局域网中的网络环回，解决成环以太网网络的“广播风暴”问题，从某种意义上说是一种网络保护技术，可以消除由于失误 或者意外带来的循环连接。STP也提供了为网络提供备份连接的可能，可与SDH保护配合构成以太环网的双重保护。新型以太单板支持符合ITU-T 802.1d标准的生成树协议STP及802.1w规定的快速生成树协议RSTP，收敛速度可达到1s。但是，由于协议机制本身的局限，STP保护速度慢（即使是1s的收敛速度也无法满足电信级的要求），如果在城域网内部运用STP技术，用户网络的动荡 会引起运营商网络的动荡。目前在MSTP 组成环网中，由于SDH保护倒换时间比STP协议收敛时间快的多，系统采用依然是SDH MS-SPRING或SNCP，一般倒换时间在50ms以内。但测试时部分以太网业务的倒换时间为0或小于几个毫秒，原因是内部具有较大缓存。SDH保护 倒换动作对MAC层是不可见的。这两个层次的保护可以协调工作，设置一定的"拖延时间"(hold-off),一般不会出现多次倒换问题。一、STP算法 IEEE802.1D标准定义了STP的生成树算法。该算法依赖于BID、路径开销和端口ID参数来做出决定。 1、BID（网桥ID）： BID是生成树算法的第一个参数，BID决定了桥接网络的中心，称为根网桥或根交换机。BID参数是一个8字节域。前2个字节（10进制）称为“网桥优先级”，后6个字节（16进制）是交换机的一个MAC地址。网桥优先级用来衡量一个网桥的优先度，范围是065535，默认是32768。思科交换机中的PVST+（每VLAN生成树）生成树协议使每个VLAN都有一个STP实例。比较两个BID的大小的原则：一是网桥优先级小的BID优先，二是如果网桥优先级相同，BID中的后六个字节的MAC小的则BID优先。 2、路径开销： 路径开销是生成树算法的第二个参数，决定到根网桥（根交换机）的路径。 通俗说，路径开销是用来衡量网桥之间的距离的远近的，其值是两个网桥之间某条路径上所有链路开销的总和。 路径开销与跳数无关。 路径开销决定到根网桥或根交换机的最佳路径，最小的路径开销是到根交换机的最佳路径。 路径开销的值的规律：带宽越大，STP开销越小。 3、端口ID：端口ID是生成树算法的第三个参数，也决定到根交换机的路径。它由2个字节组成，包括“端口优先级”和“端口号”，各占8位。 端口优先级值从0255，默认128；端口号包括256个。 端口ID大小的判定与BID大小的判定相同。 二、STP的过程 1、STP判决和BPDU交换： 当创建一个逻辑无环的拓扑时，STP总是通过发送BPDU的第二层帧来传递生成树协议，并执行相同的4步判决顺序： 步骤1，确定根交换机； 步骤2，计算到根交换机的最小路径开销； 步骤3，确定最小的发送者BID； 步骤4，确定最小的端口ID。 网桥为每个端口存储一个其收到的最佳BPDU，当有其他的BPDU到达交换机的端口时，交换机会使用四步判决过程来判断此BPDU是否比该端口原来存储的BPDU更好，如果新收到的BPDU（或者本地生成的BPDU）更好，则替换原有值。 当一个网桥第一次被激活时，其上所有端口每隔一个HELLO时间（默认2秒）发送一次BPDU；如果一个端口发现从其他网桥收到的BPDU比自己发送的好，则本地端口就停止发送BPDU；如果在MAX AGE（最大生存时间，默认20秒）内没有从邻居网桥收到更好的BPDU，本地端口则重新开始发送BPDU，即最大生存时间是最佳BPDU的超时时间。 2、STP收敛的三个步骤： 生成树算法收敛于一个无环拓扑的初始过程包含三个选举步骤： 步骤1 选举一个根交换机。 步骤2 选举根端口。 步骤3 选举指定端口。 在网络第一次“初始”时，所有网桥都洪泛混合的BPDU信息，网桥通过执行STP四步判决过程，形成整个网络或VLAN惟一的生成树。在网络稳定后，BPDU从根网桥流出，沿着无环支路到达网络中的每一个网段。网络发生变化时，生成树协议按照收敛三个步骤做出处理 （1）选举根交换机： 根交换机是一个具有最小BID的网桥，它是惟一的，是通过交换BPDU选举得出来的。BPDU的格式：BPDU是网桥之间用来交换生成树信息的特殊帧，它在网桥之间传播，包括交换机和所有配置来进行桥接的路由器，BPDU不携带终端用户流量。BPDU包括根BID、根路径开销、发送者BID和端口ID信息。 也就是说，交换机通过传递BPDU来发现谁是最小的BID，从而将具有最小BID的网桥做为根交换机。最初时，交换机总将自己认为是根网桥，当它发现有比自己小的BID时，就将收到的具有最小BID的交换机作为根网桥。 （2）选举根端口： 在根交换机选举完后，就开始选举根端口了。所谓根端口，就是按照路径开销最靠近根交换机的端口，也就是说具有最小根路径开销的端口。每一个非根交换机都必须选举一个根端口。 （3）选举指定端口： 通过以上两个步骤后，生成树算法还没有消除任何环路，因为还没有选举指定端口。所谓指定端口，就是连接在某个网段上的一个桥接端口，它通过该网段既向根交换机发送流量也从根交换机接收流量。桥接网络中的每个网段都必须有一个指定端口。 指定端口也是根据最小根路径开销来决定，因此根交换机上的每个活动端口都是指定端口，因为它的每个端口都具有最小根路径开销（实际是它的根路径开销是0）。 注意：指定端口只在中继端口（TRUNK口）起作用。接入端口在指定端口选举中不起任何作用。接入端口是用来连接到主机或者三层端口的。 3、STP状态 在网桥已经确定了根端口、指定端口和非指定端口后，STP就准备开始创建一个无环拓扑了。 为创建一个无环的拓扑，STP配置根端口和指定端口转发流量，非指定端口阻塞流量。 实际上，STP决定端口转发和阻塞看似只有这两个状态，实际上是有五种状态的。 （1）、Disabled（为了管理目的或者因为发生故障将端口关闭）； （2）、Blocking（在初始启用端口之后的状态。端口不能接收或者传输数据，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU（bridge protocol data unit）。如果检测到有一个桥接环，或者端口失去了它的根端口或者指定端口的状态，那么就会返回到Blocking状态）； （3）、Listening（如果一个端口可以成为一个根端口或者指定端口，那么它就转入监听状态。此时端口不能接收或者传输数据，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和发送BPDU）； （4）、Learning（在Forward Delay计时时间到（默认15秒）后，端口进入学习状态，此时端口不能传输数据，但可以发送和接收BPDU，也可以学习MAC地址，并加入地址表）； （5）、Forwarding（在下一次转发延时计时时间到后，端口进入转发状态，此时端口能够发送和接收数据、学习MAC地址、发送和接收BPDU）。 在这些状态过程中，会引发网络拓扑结构发生改变。此时，发生变化的交换机会在它的根端口上每隔hello time时间就发送TCN BPDU，直到上级的指定网桥邻居确认了该TCN（拓扑结构变化通知）为止。当根网桥收到后，会发送设置了TC（topology change，拓扑改变）位的BPDU，通知整个生成树拓扑结构发生了变化。这会让所有的下级交换机把它们的Address Table Aging（地址表老化）计时器从默认值（300秒）降为Fordwarding Delay（默认为15秒），从而让不活动的MAC地址比正常情况下更快地从地址表更新掉例子：如图由图上所示，s1为根桥，打开s1的配置查看入下：可以看出 根桥的优先级和此交换机的优先级是一致的，而且都是为1（实际为0，系统自动加1）。比较一下S0的配置，如下图：交换机默认的ID好是32768，而根桥的是0，桥ID号是由交换机的优先级和MAC地址组成的（这个MAC地址就是交换机自带的默认管理VLAN1的MAC地址）。这里，S1的优先级被人为改成了0，因此这个根桥是人为定义的。定义方法如下：上一行提示优先级的选择范围，以及优先级必须为4096的倍数，人为定义，一般根桥定义为0. 其余的根据上任根桥断出网络后改由哪个继任相应配置优先级。其他两台二层交换机的配置情况和s0类似，均为直接连接到根桥S1，而连接到S0的线路被置于断开模式。 还有另外一台交换机 2960-24TT switch2 。在选择最优路径的时候为什么选择是左边，而不是右边。即使（如图）是去掉左边二层交换机到根桥的直接连接也是如此（这样从表面上看是左面跨越的交换机多，而右面的少，常规思维应该是右面为最优路径）。解释如下：交换机在选择到根桥的最优路径的时候，不是根据中间隔着的交换机的数量（这和路由器的跳数不同）而是依靠到根桥的时间开销（即响应时间）。交换机由于其直接大容量的硬件电路交换数据包文，中间增加交换机的数量对报文的传递效率几乎没有影响。看一下2960-24TT switch2的配置：到根桥的相应时间依旧为默认的19，是从右边的0/10口连接的，而左面的0/6口的开销为100. (端口状态为BLK即关闭)。查资料得知，该口的速率应该为10M。查看配置证实如此