STP----生成树协议

目的:解决二层环路问题

跨层封装

广播风暴---广播帧在二层环路中形成逆时针和顺时针转动环路,并且无限循环,最终造成设备宕机,网络瘫痪。

MAC地址表的翻摆(漂移)---同一个数据帧,顺时针接收后记录MAC地址信息,之后,逆时针再记录一遍,如此循环,导致MAC地址表内容一直在变化

多重复数据帧

802.1D生成树

802.1D---标准的STP协议
802.1W---快速生成树---RSTP
802.1S---多生成树协议---MSTP

PVST--思科
VBST--华为

STP基本概念

桥ID---BID

  • 每一台运行了STP协议的交换机都拥有一个唯一的桥ID

  • 桥ID===16bit的桥优先级+48bit的桥MAC地址

  • 默认值=32768,修改时必须为4096的倍数

根网桥--根桥

  • 根网桥指的就是STP树的树根节点

  • 在交换网络中,STP协议开始工作后,第一件事就是在网络中选举出一台设备作为根网桥,根网桥有且只有一个

  • 所有的数据流量再流通的过程中,都会经过根网桥设备

开销(Cost)和根路径开销(RPC)

  • 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RPC。

    • 默认情况下,交换机使用IEEE 802.1t标准计算接口开销值。需要保证交换网络中所有设备的STP开销值算法一致。

接口ID---PID

  • 用来标定同一个设备上不同接口的

  • 16bitPID===4bit接口优先级+12bit接口编号

  • 接口优先级默认值=128,修改时必须为16的倍数

STP报文---BPDU

BPDU---网桥协议数据单元

  • 配置BPDU----协商参数,保活

  • TCN BPDU----拓扑变更通知BPDU

数据帧的目的MAC地址是组播MAC地址:0180-c200-0000

配置BPDU

在交换网络的初始化过程中,每一台交换机都会从自己身上激活了STP协议的接口向外发送配置BPDU

当STP协议收敛完成,只有==根网桥==才会周期性(2s)发送配置BPDU;其他非根网桥只有在收到了根网桥发送的BPDU后,才可以发送自己的BPDU

PVI---协议版本信息:

  • STP=0
  • RSTP=2
  • MSTP=3

BPDU Type---BPDU类型

  • 0x00--配置BPDU
  • 0x80--TCN BPUD
  • 0x02--RSTP或MSTP的BPDU

标记

  • 最高位置为1,则代表TCA,拓扑变更确认标记
  • 最低位置为1,则代表TC,拓扑变更标记

消息寿命

  • 代表该BPDU从发出到现在所经过的设备数量,单位为设备数量
  • 初始值=0,每经过一台交换机,数值+1
  • 存在一个Max Hop参数---最大消息寿命,默认20

    
最大寿命----最大生存时间

  • 缺省值20S,当超过该时间还没有从接口收到BPDU报文,认为该接口所在链路或根网桥故障
TCN BPDU

作用:在网络拓扑发生变化时,向根网桥通知变化的发生

1、本地交换链路发生故障后,STP协议会重新收敛--收敛时间比较长,就会导致在这段时间内,数据通讯发生障碍。为了加快全网交换机的MAC地址表刷新,故障交换机会向本地所有接口发送TCN BPDU报文


2、邻居收到TCN报文后,回复一个TCA标记位置为1的配置BPDU报文,用于保障数据通讯可靠性

  • 这个过程会一直持续到根网桥收到TCN报文

3、根网桥收到TCN报文后,会将自己的MAC地址表的老化时间从300S修改为15S,并向所有接口发送TC标记位置为1的配置BPDU


4、设备收到TC标记位的BPDU,会将本地MAC地址表中所有表项的老化时间临时性修改为15S

STP角色选举

根网桥--RB

  • 选举范围:整个交换网络

  • 选举方法:选举具备最小BID数值的设备。

  • 默认情况下,所有设备的桥优先级都=32768,因此根据桥优先级对比不出根网桥,通过对比最小MAC地址来确定根网桥的位置。----通过配置BPDU

  • 根网桥的地址是可抢占的。---一般情况下,会将根网桥的桥优先级设定为0,来保障根网桥的角色不会被抢占,从而引发STP协议的重新收敛,导致数据不通。

根接口---RP

  • 根接口是每一个非根网桥设备上==所有接口中收到最优BPDU的接口==----每一个非根网桥在STP树上“朝上”的接口,距离根网桥最近的接口

  • 选举范围:每一个非根网桥,只会选举一个接口作为根接口。

最优BPDU比较原则
  • 选择具有最小根桥ID的BPDU
    • 这一条实上是在全网中选举出根网桥际
  • 比较入向配置BPDU的RPC数值,选择最小的接口作为根端口。
  • 比较对端设备的BID,选择BID小的设备所对应的接口作为根端口
  • 对比对端的PID,PID小的端口所对应的端口为根端口
  • 对比本地的PID,PID小的端口称为根端口

指定端口--DP

  • 选举范围:在每条链路(网段)中选举一个指定端口。

    • 该端口是该链路上到达根网桥的最优接口。---距离根网桥最近

    • 负责向该网段(链路)发送BPDU报文

  • 对于非根网桥而言,所有接口中收到最优BPDU的接口将成为该设备的根接口。

    • 然后设备根据收到的最优BPDU,来为设备上的其他接口各自计算一个BPDU报文,并且将其保存在接口中。

    • 然后使用计算出的BPDU报文与接口上收到的BPDU报文进行对比。

      • 如果自己的更优,则本接口为这个链路上的指定端口

      • 如果对方更优,则本接口会成为这个链路上的非指定端口

    • 最优BPDU比较内容

      • RPC

      • BID

      • PID

  • 一般而言,根网桥的所有接口都是指定接口;存在根端口的链路上,对端必然是指定端口

非指定接口-NDP

经过STP计算后,交换机上某些接口既不是根端口,也不是指定端口,则称为非指定端口而STP协议会在逻辑上阻塞非指定端口,从而打破二层环路

被阻塞的端口,既不会发送和接收业务数据,也不会发送BPDU报文,但是可以接收BPDU报文

STP角色选举过程
  1. STP交换机初始启动后,都会认为自己是根网桥,并在发送给其他交换机的BPDU报文中宣告自己为根桥。

    • 当交换机收到网络中其他设备发送的BPDU后,会比较BPDU重的根桥ID和自己的BID

    • 交换机之间不断交互BPDU报文,同时对比BID信息,最终选举出一台BID最小的交换机作为根网桥,其他交换机为非根网桥。

    • 根网桥的角色是可抢占的。当拥有更优BID的交换机加入网络时,网络会重新进行STP计算,选举出新的根网桥。

  2. 在选举出根网桥后,根网桥持续发送BPDU报文,而非根网桥持续接收BPDU报文,并计算自己的BPDU报文发送给其他设备。

  3. 每个交换机根据从自己不同接口收到的BPDU报文中选择出最优BPDU,从而选择出根端口

    • 选举规则---越小越优

      • 比较RPC

      • 比较对端的BID

      • 比较对端的PID

      • 比较本地的PID

  4. 每台交换机的每一条链路选举一个指定端口

    • 交换机将本接口与本接口收到的BPDU进行对比,若本地BPDU更优,则本接口称为指定端口。

    • 比较规则---越小越优

      • RPC

      • BID

      • PID

  5. 交换机身上剩余端口成为非指定端口

    • 非指定端口被STP协议在逻辑上阻塞,从而构造出STP树。

    • 阻塞端口不能转发由终端设备产生并发送的数据帧,也不能转发BPDU,但是可以接收和处理BPDU报文。

根网桥的选举,因为STP协议的一切工作都是基于根网桥的位置而定的,如果根网桥位置选举不恰当,那么流量走向异常

解决方案----三点合一(网关所在地、STP树根所在地、流量汇聚之地)

STP的接口工作状态

  • 阻塞

    • 设备激活STP协议后进入的第一个状态

    • 不能收发业务数据、不能学习MAC地址、不能发送BPDU,但是可以接收BPDU

    • 目的:将二层网络中的所有数据报文全部清空。

    • 每个设备需要在阻塞状态停留20S时间。进入下一个状态

  • 侦听

    • 目的:完成STP的所有角色选举过程。

    • 接口可以收发BPDU报文,但是不能收发业务数据,也不能学习MAC地址

    • 需要在侦听状态停留一个转发延迟时间(15S)

    • 当转发延迟时间超时后,跟端口和指定端口会进入下一个状态,而非指定端口会退回到阻塞状态

  • 学习

    • 目的:学习MAC地址,从而填充MAC地址表项

    • 可以收发BPDU报文,可以学习MAC地址,不能收发业务数据

    • 需要在学习状态停留一个转发延迟时间(15S)

  • 转发

    • 可以正常收发业务数据和BPDU报文。

    • 只有根端口和指定端口可以处于转发状态

STP收敛时间
  • 首次收敛---50S

  • 结构突变

    • 根网桥故障---50S

    • 直连链路故障---30S

      • 立即将端口状态切换到侦听

    • 非直连链路故障---50S

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