爱站程序员基地为了提高网络的可靠性，交换网中通常会使用冗余链路。但是冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。
文章目录
- 环路引起的问题
- 二层交换网络
- 广播风暴
- MAC地址表震荡
- 根桥选举
- 根端口选举
- 指定端口选举
- 端口状态转换
- BPDU
- 计时器
环路引起的问题
二层交换网络
交换机之间通过多条链路互联时，虽然可以提高网络可靠性，但同时也会带来环路问题。
- 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联。如果交换机之间只使用一条链路互联，有可能出现单点故障，导致业务中断。为了解决此类问题，交换机在互连时一般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，而环路会产生其他问题，导致通信质量下降和通信业务中断。
广播风暴
- 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，那么交换机会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换机中有环路，这个帧就会被无限转发，形成广播风暴，导致网络中充满重复无用的数据帧，影响正常网络通信。
- 在上图中，主机A向外发送一个单播帧，但是该单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后，将其转发到SWA和SWC，SWA和SWC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SWB，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。
MAC地址表震荡
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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地址表的。
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主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/3，- 并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。
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SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。
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SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。
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SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。
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在下例中关闭了stp，可以看出在SW1上的MAC地址表在不断变化，且在网络链路上充斥着大量重复信息
STP的作用
- 在以太网中，二层网络会带来广播风暴，MAC地址表震荡，重复数据帧等问题
- STP的主要作用
- 消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
- 链路备份：当活动路径链路发生故障时，激活备份链路及时恢复网络联通性。
STP操作
- STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。
- 每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于逻辑树的根部，是STP网络的逻辑中心，非根桥式根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种星系被称为BPDU。BPDU包含交换机在参加生成树计算时产生的各种信息参数。
- STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口，预备端口。
- 指定端口：是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。
- 根端口：是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。
- 如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。
根桥选举
- STP中根桥的选举是依据桥ID，STP中的每个交换机都会有一个桥ID（bridge id）。桥ID是由16位的桥优先级和48位的mac地址组成。桥优先级可以自己配置，取值范围是0-65535，默认值位32768。在华为模拟器交换机中最大为61440。桥优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，比较mac地址，mac地址越小越优先。
- 交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下，所有交换机在启动时都会认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。
根端口选举
- 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。
- 交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC（Root Path Cost，根路径开销），并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。
- 一般情况下，企业网络中会存在多厂商的交换设备，华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供最大程度的兼容性。缺省情况下，华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。
- 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID（Port ID)可以用来确定端口角色。
- 每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个最近的衡量标准是靠路径开销来判定的，即路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中根路径开销字段的值，加上该端口本身的端口开销即为本端口路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。
- 如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上，则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上，则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。
指定端口选举
- 非更交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、BID、PID。
- 未被选举为更端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞。
- 在网段上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU报文的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。
- 指定端口的选举也是首先比较累计路径开销，累计路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计路径开销和所- 在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。
- 网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。
端口状态转换
- 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：
- 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。
- 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。
- Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。
- 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。
- 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。
BPDU
- 为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。
- BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。
- 配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
- TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。
- 配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，其中包含的重要信息如下：
- 根桥ID：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根桥。
- 根路径开销：到根桥的最短路径开销。
- 指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC地址组成。
- 指定端口ID：由指定端口的优先级和端口号组成。
- Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期。
- Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
- Hello Time：配置BPDU发送的周期。
- Forward Delay：端口状态迁移的延时。
计时器
- STP协议中包含一些重要的时间参数，这里举例说明如下：
- Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效。
- Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。
- Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。
根桥故障
- 非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。
- 在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU。如果根桥发生故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，回复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。
直连链路故障
- 此例中，SWA和SWB使用了两条链路互连，其中一条是主用链路，另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后，如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障，则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态，经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态。
非直连链路故障
- 本例中，SWB与SWA之间的链路发生了某种故障（非物理层故障），SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。等待Max Age定时器超时后，SWB会认为根桥SWA不再有效，并认为自己是根桥，于是开始发送自己的BPDU报文给SWC，通知SWC自己作为新的根桥。在此期间，由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。所以，Max Age定时器超时后，SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后，SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。
