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一、背景介绍

二、环路引发的危害

1、广播风暴

2、MAC 地址表震荡

三、STP生成树

1、STP的作用

2、STP工作过程

3、根桥选举

4、根端口选举

5、指定端口选举

6、BPDU报文分析

7、计时器

8、端口状态转化

总结

一、背景介绍

为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。

然而，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，进而会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。

二、环路引发的危害

交换机之间通过多条链路互连时，虽然能够提升网络可靠性，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连。如果交换机之间仅使用一条链路互连，则可能会出现单点故障，导致业务中断。为了解决此类问题，交换机在互连时一般都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，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

1、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，或者是一个未知目的MAC 地址的单播帧，则会泛洪。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。

环路会引起广播风暴。
网络中的主机会收到重复数据帧

如下图所示案例：

主机A 向外发送了一个单播帧，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 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。

2、MAC 地址表震荡

MAC地址表是交换机根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC 地址表项的。

环路会引起MAC 地址表震荡。

如下图案例所示：

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，00-05-06-07-08-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。

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。
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。
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，00-05-06-07-08-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。

三、STP生成树

1、STP的作用

在以太网中，二层网络的环路会带来广播风暴，MAC 地址表震荡，重复数据帧等问题，为解决交换网络中的环路问题，提出了STP。
STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写。
STP 协议是用于网络树型拓扑结构的建立，起到防止网络中的冗余链路形成环路。
STP 通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份的目的。

STP的作用	说明
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	当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连通性。

如下图所示：

2、STP工作过程

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，也就是根交换机，其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部，是STP 网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。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，交互的这种信息被称为BPDU 。BPDU 中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息。如下图所示：

工作过程：

选举一个根桥（Root Bridge）
每个非根交换机选举一个根端口（Root Port）
每个网段（链路）选举一个指定端口（Designated Port）
阻塞非根、非指定端口

端口角色	说明
根端口（Root Port）	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。根桥上没有根端口。
指定端口（Designated Port）	指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU 的端口，每条链路有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。
预备端口（Alternate Port）	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。

3、根桥选举

STP 中根桥的选举依据的是桥ID，STP 中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID)。桥ID 由16 个比特位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC 地址构成。

在STP 网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备会被选举为根桥，数值越小越优先。如果优先级相同，则会比较MAC 地址，MAC 地址越小则越优先。

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，所有交换机启动时都认为自己是根桥，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。

如下图所示，4096的桥优先级数值最小，因此根桥是它：

4、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。

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。
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。

一般情况下，企业网络中会存在多厂商的交换设备，华为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，华为系列交换机使用IEEE 802.1t 标准来计算路径开销。

5、指定端口选举

非根交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、BID、PID。未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞。

在链路上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU 报文的端口，就是该链路的指定端口。每个链路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。

6、BPDU报文分析

BPDU 包含桥ID、路径开销、端口ID、计时器等参数。

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：

重要字段	说明
根桥ID （BID）	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（RPC）	到根桥的最短路径开销。
指定桥ID （ROOT ID）	由指定桥的优先级和MAC 地址组成。
指定端口ID （PID）	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。
Hello Time	配置BPDU 发送的周期。
Forward Delay	端口状态迁移的延时。

7、计时器

配置BPDU 报文每经过一个交换机，Message Age 都加1。如果Message Age 大于Max Age，非根桥会丢弃该配置BPDU。

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。

8、端口状态转化

端口状态转换的场景：

端口初始化或者赋予角色;
端口被选为根端口或指定端口。
端口不再是根端口或指定端口。
forward delay 计时器超时。
端口禁用或链路失效。

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：

端口状态	说明
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。