STP 生成树协议

STP —- 生成树协议

冗余

  1. 线路备份
  2. 设备备份
  3. 网关备份
  4. UPS备份

交换机出现二层环路带来的问题：

  1. 广播风暴，广播帧在二层环路中将形成顺时针和逆时针转动的两层环路，无限循环，最终导致设备宕机，网络瘫痪。
  2. MAC地址表翻摆
  3. 多帧复制

STP —- 主要目的 —- 破除二层环路

在二层交换网络中，逻辑的阻塞部分接口，实现从根交换机到所有节点唯一的路径，且为最佳路径。生成了一个没有环路的拓扑。当最佳路径故障时，个别阻塞接口打开，形成备份路径。

STP —- 标准的STP —- 802.1D标准。IEEE组织颁布的标准，共有协议
PVST,PVST+ —- 思科私有STP生成树协议
RSTP —- 快速生成树 —- 802.1W标准
MSTP —- 多生成树协议 —- 802.1S标准

802.1D生成树协议
STP的数据包叫做BPDU。B —- 桥，指网桥；PUD —- 协议数据单元
BPDU —- 分为两种：一种叫配置BPDU，另一种叫做TCN BPDU。

配置BPDU
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协议版本 —- 802.1D —- 0
—- 802.1W —- RSTP —- 2
—- 802.1S —- MSTP —- 3

标志 —- 在802.1D中8位标志只使用了最高位（TCA）和最低位（TC）。中间6位，在802.1D中保留，在802.1W和802.1S中使用。

根网桥ID：为根的交换机所具有的网桥ID。（802.1D协议在整个交换网络中将生成一颗生成树，即只有一个根网桥。）
网桥ID（BID）：所有的交换都具有网桥ID来进行区分标识
BID —- 由两部分组成 —- 前2个字节：优先级
—- 后6个字节：为交换机的MAC地址

根网桥开销 —- RPC —- 表示转发BPDU的网桥距离根网桥的开销大小

接口ID —- 用来表示和区分发送该BPDU接口。
2字节 —- 两部分组成 —- 前4位：优先级
—- 后12位：接口编号

MAX—HOP —- 默认20
转发延迟 —- 指的是接口在状态切换时间。默认时间为15s。

TCN BPDU

仅具有配置BPDU中的前三个三参数
协议ID、协议版本、BPDU类型

配置BPDU
只有根网桥可以发送，在交换网络的初始状态，所有交换机认为被本地为根网桥，进行BPDU的发送，使得网络中所有交换机均接受到其他交换机的BPDU,之后将基于其中的数据参数进行对比，选举根网桥。之后，所有非根网桥不再发送配置BPDU，而不是仅接收和转发根网桥的BPDU；配置BPDU的发送周期为2S，MAX AGE 20S。

TCN BPDU
本地链路故障后，STP重新收敛为了快速收敛全网所有交换机的MAC地址表。将向所STP接口发送TCN BPDU。邻居交换机收到TCN后，先回复一个TCA标记位置1的配置BPDU，用于可靠传输消息；之后，将TCN BPDU逐级上报到根网桥处，由根网桥回复一个配置BPDU(将TC标记位置1），该BPDU将逐级转发至整个网络的所有交换机上，所以交换机收到TC标记位置1的PBDU后，将会把自己MAC地址表300S的老化时间临时修改为15S（和转发延时时间一样），用于加快失效MAC地址信息记录的刷新。
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STP生成树选举

  1. 根网桥（RB）
  2. 根端口（RP）
  3. 指定端口（DP）
  4. 非指定端口（NDP）

选根网桥 —- 一颗树且只有一个根（802.1D整个交换网络只有一颗树）

选举方法：
比较BPDU中的BID=优先级 +MAC地址

优先级
（0-6553，默认值32768，优先级数值越低越优（实际取值范围：0-61440）（修改优先级必须按照4096的倍数来修改）

优先级 —- 2个字节 —- 实际优先级仅使用前4位，剩下12位为扩展系统ID（在802.1S中使用，用来代表VID）

先比较优先级，优先级越小越优，若优先级相同，则比较MAC地址，MAC地址越小越优。

根端口 —- 在每台非根交换机上，有且只有一个：离根最近的接口，用来接收来自根网桥的BPDU。

RPC
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华为设备默认支持以上三种开销值计算标准，默认使用的是IEEE 802.1t标准。

  1. 先比较接口收到根网桥发出的BPDU的开销值。
  2. 比较该接口对端设备（上级设备）BID，BID小的设备所对应的端口为根端口
  3. 若对端BDI相同，则比较对端的PID
    PID：优先级+接口编号
    优先级占前4位，取值范围0-240，默认是128。（修改优先级必须按照16的倍数来修改）
    先比较优先级，优先级越小越优；如果优先级相同，则比较接口编号，接口编号越小越优。
  4. 若对端的PID也相同，则比较本地的PID，小的位根端口。

指定端口 —- 在每一条存在协议的链路上，有且仅有一个，用来转发来自根网桥的BPDU，不能阻塞。

（根据网桥所有接口一定是指定端口）

  1. 先比较接口发出BPDU时的COST值，小的为指定端口
  2. 若开销值相同，则比较本地BID，BID小的交换机上的接口为指定端口
  3. 若本地的BID相同，则比较接口PID，PID小的接口为指定端口
  4. 如果PID相同，则直接将该接口堵塞。

剩下没有分配角色的接口均为非指定端口，非指定端口需要进行阻塞。

STP接口的状态

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  1. 禁用 —- 1. 接口物理关闭；2. 接口禁用生成树
  2. 阻塞 —- 接口激活之后进入该状态。20S时间内没有收到BPDU则进入下一个状态
  3. 侦听 —- 接口可以正常收发BPDU, 但是不能接收和转发业务数据 —- 15S
    （不允许转发业务数据是为了避免选举未完成时产生临时的环路）
    如果选举出的角色为非指定端口，则将直接退回到阻塞状态。只有根端口和指定端口在侦听状态结束后进入下一个状态。
  4. 学习 —- 可以侦听业务数据，但不会进行转发。
    学习阶段是为了尽可能的减少未知单播帧的泛洪，导致资源浪费。
  5. 转发 —- 可以正常接收和转发数据帧和BPDU。
    所以，802.1D生成树的收敛时间为：30S和50S
    首次收敛：50S

结构变化：

  1. 根网桥故障：50S
  2. 直连链路故障：30S
  3. 非直连发生故障：50S

802.1D生成树的配置

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display stp —- 查看STP信息

display stp brief —- 查看stp接口角色和状态信息

stp priority 28672 —- 修改BID中优先级

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stp root primary —- 将该网桥设置为根网桥，其实实质是将该网桥的优先级修改为0

stp root secondary —- 将该网桥设置为备份根网桥，其实实质是将该网桥的优先级改为4096.

802.1D的缺点：

  1. 收敛慢
  2. 链路利用率低

PVST —- 基于VLAN的生成树
PVST只是提供了链路利用率低的一个解决思路，但他本身也并不彻底，因为一个VLAN一棵树，如果整个网路中VLAN数量过大时，将导致BPDU泛洪的流量过大。

RSTP —- 快速生成树
主要解决的是802.1D生成树收敛速度慢的问题，但是依然是一个网络一颗树，并且可以向下兼容802.1D协议

改进点1：变更了端口角色
802.1D：根端口，指定端口，非指定端口
802.1W：根端口，指定端口，替代（Alternate）端口，备份（backup）端口

替代端口：用来替代根端口，相当于是根端口的备份
由于学到其他网桥发送的BPDU报文而阻塞的端口，他提供了从指定网桥到根的另一条路径。当根端口失效时，则最优的替代端口将立即成为根端口，并进入转发状态。

备份端口：相当于指定端口的备份。
由于学到自己发送的配置BPDU而阻塞的端口，他作为指定端口的备份，当指定端口失效时，将直接成为指定端口，并直接进入转发状态。

改进点2：修改了接口状态类型
802.1D：5种 —- 禁用，阻塞，侦听，学习，转发
802.1W：3种 —- DISCARDING（丢弃），学习，转发
丢弃 —- 不转发用户流量也不学习MAC地址
学习 —- 不转发用户流量，但是可以学习MAC地址
转发 —- 既可以转发用户流量，也可以学习MAC地址

改进点3：对配置BPDU里面的报文进行了修改
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RST BPDU —- 就是RSTP协议使用的配置BPDU

P/A机制
RSTP的P/A机制主要来保证一个指定接口得以从丢弃状态快速进入转发状态，从而加速了生成树的收敛。

在P/A机制中，存在一个“同步状态”，实际上就是将其他接口全部进行堵塞，防止环路的产生。

改进点4： 对配置BPDU的处理

  1. 在拓扑收敛完成后：
    802.1D：只有根网桥每隔2s发送一个配置BPDU，其他非根网桥只有收敛到根网桥的BPDU后才会进行转发
    802.1W：拓扑稳定后，非根网桥将资助的每隔2s发送根的BPDU。
  2. 更短的BPDU超时时间
    802.1D：需要等待20S（MAX AGE）
    802.1W：仅需要等待三个周期 —- 6s —- 超时时间

改进点5： 快速收敛机制
3. 根端口和指定端口的快速切换 —- 利用了替代端口和备份端口这两个角色
4. 可以设置边缘接口 —- 指的是交换机设备连接终端的接口，因为连接终端设备不会出现环路，所以，我们可以手工将这些端口设置为边缘接口，边缘接口将直接进入转发状态。

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注意：边缘接口可能会因为人为失误，接入到交换设备上，就有可能出现环路，所以，边缘接口存在保护机制，即当一个边缘接口收到了交换设备发送的BPDU时，该接口会立即将自己切换为一个普通接口。
3. P/A机制

改进点6： 拓扑变更机制优化

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802.1S —- MSTP —- 多生成树协议

instance —- 实例 —- 就是一个或多个VLAN的集合
我们可以使用instance ID来区分不同的实例，一个实例创建一棵树。
instance ID —- 由12位2进制构成，0-4094
instance0默认存在，且所有LAN都默认属于instance0

MSTP中存在一个域（region）的概念 ，相当于OSPF中区域（area）的概念，我们可以将一个较大的交换网络划分为多个MST域，当然，如果网络规模较小，也可以划分到一个MST域当中

交换机处于同一个域的匹配条件

  1. 相同的域名（region）
  2. 相同的修订级别（revision）
  3. 相同的VLAN和instance的映射关系

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需求：交换网络存在VLAN1 – VLAN10，要求，VLAN1 – VLAN5使用SW1为根创建生成树，VLAN6 – VLAN10以SW2为根创建生成树。

  1. 配置VLAN

  2. 启动MSTP
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  3. 配置MST
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  4. 修改优先级
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链路聚合 —- 应用在以太网中的技术
将N条物理链路聚合为一条逻辑链路。我们把逻辑链路称为聚合链路（erh-truck）将其中每一条物理链路称为成员链路。我们将聚合后得到的逻辑端口称为聚合端口（eth-trunk端口），聚合端口中的物理接口称为成员端口。

要求：

  1. 通道的对端必须是同一台设备
  2. 成员端口应该具有相同的速率，双工模式，相同的类型，相同的VLAN允许列表

  • 创建聚合接口
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  • 将物理接口划入聚合接口
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    配置聚合链路的双方设备必须配置相同的Eth-Trunk在进行端口聚合之前，所有接口配置只能在聚合接口中配，不能在物理接口上配
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VRRP —- 虚拟路由冗余

目前主要使用两个版本，一个VRRP V2 —- 主要应用在IPV4邻域
VRRP V3 —- 主要应用在IPV6邻域

VRRP存在一个组的概念，可以将需要协同的路由器放入同一个组，配置相同的VRID（8位二进制构成）（区分不同的组）。一个组中存在一个虚拟的网关路由器，这个网关需要配置一个虚拟IP地址（这个地址是需要指定的，而且必须和真实网关IP在同一个广播域），并且会产生一个虚拟的MAC地址 —- 0000 – 5e00 – 01XX（XX就是VRID）

一旦接口配置激活了VRRP，开始时，所有网关接口都将发送VRRP协议报文，进行主从选举。（先比较优先级（默认优先级为100，取值范围0-255）优先级大的为主，优先级相同则比较IP地址，IP地址大的为主）。选举结束，之后仅master周期性的发送vrrp协议报文（周期为1s）backup网关仅侦听，如果master3.6s未发协议报文，则重新选举。

VRRP默认开启抢占模式，抢占模式只看优先级
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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平