1 生成树技术概述
1.1 生成树技术的背景
1.二层交换机网络的冗余性与环路
2.人为错误导致的二层环路
3.广播风暴与MAC地址漂移
1.2 生成树协议
1.初识生成树协议
在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个(或某些)接口进行阻塞(Block)，从而打破环路。
2.生成树能够动态响应网络拓扑变化调整阻塞接口
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。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。
3.二层及三层环路
4.生成树协议在园区网络中的应用位置
2 STP的基本概念
STP是一个用于局域网中消除环路的协议。
运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。
STP在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。
由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。
2.1 桥ID
桥ID (Bridge ID,BID)
IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级(Bridge Priority)与桥MAC地址构成。
每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。
BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。
在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。
备注：此处网桥(Bridge)，或者桥也就是交换机。
2.2 根桥
根桥(Root Bridge)
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)。
根桥是一个STP交换网络中的”树根”。
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”。
在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。
在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先，拥有最小优先级值的交换机会成为根桥；如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。
2.3 Cost
开销(Cost)
每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。
接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。
接口带宽越大，则Cost值越小。
可以根据需要通过命令调整接口的Cost。
Cost计算方法：
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。
2.4 RPC
根路径开销(Root Path Cost)
在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是”丈量”交换机某个接口到根桥的”成本”，即RPC。
一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。
本例中，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。
2.5 接口ID(Port ID，PID)
接口ID (Port ID,PID)
运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。
接口ID由两部分构成，高4bit是接口优先级，低12bit是接口编号。
激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换机上，该值为128。可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。
2.6 BPDU
BPDU(Bridge Protocol Data Unit,网桥协议数据单元)
BPDU是STP能够正常工作的根本。
BPDU是STP的协议报文。
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分为两种类型:
配置BPDU(Configuration BPDU)
TCN BPDU (Topology Change Notification BPDU)
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。
2.6.1 配置BPDU的报文格式
| 字节 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 2 | PID | 协议ID，对于STP而言，该字段的值总为0 |
| 1 | PVI | 协议版本ID，对于STP而言，该字段的值总为0 |
| 1 | BPDU Type | 指示本BPDU的类型，若值为0x00，则表示本报文为配置BPDU；若值为0x80，则为TCN BPDU |
| 1 | Flags | 标志，STP只使用了该字段的最高及最低两个比特位，最低位是TC(Topology Change，拓扑变更)标志，最高位是TCA(Topology Change Acknowledgment，拓扑变更确认)标志 |
| 8 | Root ID | 根网桥的桥ID |
| 4 | RPC | 根路径开销，到达根桥的STP Cost |
| 8 | Bridge ID | BPDU发送桥的ID |
| 2 | Port ID | BPDU发送网桥的接口ID(优先级+接口号) |
| 2 | Message Age | 消息寿命，从根网桥发出BPDU之后的秒数，每经过一个网桥都加1，所以它本质上是到达根桥的跳数 |
| 2 | Max Age | 最大寿命，当一段时间未收到任何BPDU，生存期到达最大寿命时，网桥认为该接口连接的链路发生故障。默认20s |
| 2 | Hello Time | 根网桥连续发送的BPDU之间的时间间隔，默认2s |
| 2 | Forward Delay | 转发延迟，在侦听和学习状态所停留的时间间隔，默认15s |
2.6.2 配置BPDU的比较原则
对于STP而言，最重要的工作就是在交换网络中计算出一个无环拓扑。在拓扑计算的过程中，一个非常重要的内容就是配置BPDU的比较。在配置BPDU中，有四个字段非常关键，它们是”根桥ID”、”根路径开销”、”网桥ID”以及”接口ID”，这四个字段便是交换机进行配置BPDU比较的关键内容。
STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU:
1.最小的根桥ID
2.最小的RPC
3.最小的网桥ID
4.最小的接口ID
这四条原则中(每条原则都对应配置BPDU中的相应字段)，第一条原则主要用于在网络中选举根桥，后面的原则主要用于选举根接口及指定接口。
2.6.3 配置BPDU的转发过程
3 STP的工作原理
3.1 STP的计算过程
1.在交换网络中选举一个根桥
STP在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU，配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。
网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。
在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
根桥的角色是可抢占的。
为了确保交换网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0。
2.在每台非根桥上选举一个根接口
每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个接口，根接口的作用：接收根桥的BPDU
非根桥交换机上有且只会有一个根接口。
当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU的接口。
可以形象地理解为，根接口是每台非根桥上”朝向”根桥的接口。
3.在每条链路上选举一个指定接口
根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较:
如果前者更优，则该接口为指定接口;
如果后者更优，则该接口为非指定接口。
一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口。
4.非指定接口被阻塞
一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被称为非指定接口。
STP操作的最后一步是阻塞网络中的非指定接口。这一步完成后，网络中的二层环路就此消除。
根端口与指定端口总结：
| 端口类型 | 作用 | 选举位置 | 选举规则 |
|---|---|---|---|
| 根端口 | 接收根桥的BPDU | 在每一台非根桥选举 | 1、比较RPC 2、比较对端桥ID 3、比较对端的PID 4、比较自己的PID |
| 指定端口 | 发送或转发BPDU | 在每一段链路上选举 | 1、比较自己设备的RPC 2、比较自己的桥ID 3、比较自己的PID |
3.2 STP接口状态
| 状态名称 | 状态描述 |
|---|---|
| 禁用(Disable) | 该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down |
| 阻塞(Blocking) | 该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU,而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 侦听 (Listening) | 当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 学习 (Learning) | 当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧(但是不能转发业务数据帧)，并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习 |
| 转发(Forwarding) | 处于该状态的接口可以正常地收发业务数据帧，也会进行BPDU处理。 接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态 |
3.3 STP接口状态迁移
1.接口初始化或激活，自动进入阻塞状态
2.接口被选举为根接口或指定接口，自动进入侦听状态
3.转发延迟计时器超时且接口依然为根接口或指定接口
4.接口不再是根接口或指定接口或指定状态
5.接口被禁用或者链路失效
3.4 拓扑变化-根桥故障
根桥故障恢复过程
1.SW1根桥发生故障，停止发送BPDU报文。
2.SW2等待Max Age计时器(20s)超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，又接收不到根桥发送的新的BPDU报文，从而得知上游出现故障。
3.非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。
4.经过重新选举后，SW3的A端口经过两个Forward Delay(15 s)时间恢复转发状态。
非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。
根桥故障会导致50 s左右的恢复时间。
3.5 拓扑变化-直连链路故障
直连链路故障恢复过程
当交换机SW2网络稳定时检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会经过两倍的Forward Delay(15s)时间进入用户流量转发状态。
SW2检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。
直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态。
3.6 拓扑变化-非直连链路故障
非直连链路故障后，SW3的备用端口恢复到转发状态，非直连故障会导致50s左右的恢复时间。
3.7 拓扑改变导致MAC地址表错误
如下图，SW3的根端口发生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为交换机依赖MAC地址表转发数据帧，缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。那么该怎么快速恢复转发?
TCN BPDU在网络拓扑变化的时候产生。
报文格式：协议标识、版本号和类型。
拓扑变化：会使用到配置BPDU中Flags的TCA和TC位。
4 STP基础配置命令
1.配置生成树工作模式
# 交换机支持STP、RSTP和MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol)三种生成树工作模式，默认情况工作在MSTP模式。
[Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }2.(可选)配置根桥
# 配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。
[Huawei] stp root primary3.(可选)备份根桥
# 配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级。
[Huawei] stp root secondary4.(可选)配置交换机的STP优先级
# 缺省情况下，交换机的优先级取值是32768
[Huawei] stp priority priority5.(可选)配置接口路径开销
# 配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t(dot1t)标准方法。
# 同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法。
[Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }
# 设置当前接口的路径开销值。
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost6.(可选)配置接口优先级
# 配置接口的优先级。缺省情况下，交换机接口的优先级取值是128。
[Huawei-intf] stp priority priority7.启用STP/RSTP/MSTP
# 使用交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，设备的STP/RSTP/MSTP功能处于启用状态
[Huawei] stp enable