STP生成树协议

　　　　STP概述

　　　　1.STP产生的原因：在实际网络环境中，物理环路可以提高网络的可靠性，一条链路无法传输数据的时候，另外的 一条链路仍然可以传输数据。但是在交换网络中，当交换机收到一个未知MAC地址的帧时，交换机会将这个数据帧从除收到接口以外的所以接口发送广播，这样环 路的网络就会形成双向的广播环，甚至产生广播风暴，导致交换机down掉。STP就是为了解决物理环路产生的，STP在逻辑上断开网络的环路，防止广播风 暴的产生，一旦当正在使用的链路出现故障，逻辑上被断开的链路就会连通，这样确保网络的正常通信。
　　　　2.STP简介：STP协议就是把一个环形的网络结构改变成一个树形的网络结构。STP协议就是通过一种算法，在逻辑上阻塞一些端口，来形成树形结构。
　　　　3.STP的工作原理

　　　　生成树算法，生成树协议运行生成树算法(STA),过程分为3个步骤：
　　　　(1）选择根网桥（RB，root bridge）

　　　　(2)选择根端口（RP，root ports）
　　　　(3)选择指定端口 （designated ports）
　　　　1) 选择根网桥

　　　　选择根网桥的依据是网桥ID，网桥ID是一个8字节的字段，前2个字节的十进制数称为网桥优先级，后六个字是网桥的MAC地址。
　　　　
　　　　　　　

　　　　　图：1-1

　　　　网桥的MAC地址可以通过 show version 来查
　　　　


　　　　根据生成树的算法，比较STP参数的取值时，值小的优先级高。在选择根网桥时，网桥ID小的成为根网桥，网桥ID分2部分，默认情况下，网桥优先级是32768，所以MAC地址小的成为根网桥。
　　　　


　　　　　　　　图：1-2
　　　　如图1-2 选择根网桥的时候先比较网桥优先级，SW2的优先级高，所以SW2成为根网桥，当网桥优先级是一样的时候，MAC地址小的成为根网桥。
　　　　2)选择根端口，每一个非根网桥上都有一个根端口，选择根端口的依据：
　　　　(1)到根网桥的最低成本路径
　　　　(2)直连网桥的ID最小
　　　　(3)端口ID最小
　　　　路径成本用来代表一条链路的带宽的大小，一条链路的带宽越大，传输数据的成本越低
　　　　


　　　　　　　　图：2-1 带宽与路径成本的关系
　　　　端口ID是一个二字节的STP参数，由一个字节的端口优先级和一个字节的端口号组成。
　　　　


　　　　图：2-2
　　　　端口优先级一个可配置的STP参数，端口优先级的十进制取值范围是0-255，默认是128

　　　　端口编号是Catalyst用于列举哥哥端口的数字标识符，端口编号不是端口号，但是端口号越小的端口编号越小。

　　　　比较端口ID值的时候比较的是接收到对端的端口ID值
　　　　三台交换机的选举：
　　　　


　　　　　　　　图：2-3

　　　　SW2 被选举为根网桥后，SW1和SW3上各选举一个根端口，根据根端口的选举规则，到根网桥路径成本最低的端口被选为根端口。

　　　　图：2-3上路径成本都是19（100M链路）

　　　　如果SW1到SW2的链路带宽是10M，那么SW1上和SW3上连接的端口成为根端口，计算根路径成本发生在BPDU进入的那一个交换机端口，而不是离开的端口。
　　　　如果是2台交换机相连，非根网桥上的端口到根网桥的路径成本也是一样的话，那么就要比较直连网桥ID值，因为对端端口所在的是一个交换机上，所以直连网桥的ID也是一样的，那么就要比较对端端口的ID值，对端端口ID值小的端口成为指定端口。

　　　　如图：2-4
　　　　二台交换机的选举：
　　　　


　　　　　　　　图：2-4
　　　　SW1成为根网桥，在SW2上选举一个根端口，F0/23和F0/24到SW1 的路径成本一样（19），这时候应该比较连接F0/23 ，F0/24的交换机的网桥ID，和F0/23，F0/24直接相连的都是SW1，网桥ID一样，最终要比较端口ID，SW2的F0/23，F0/24的 对端端口分别是SW1的F0/24，F0/23，SW1的F0/23端口的端口ID值要小一些，所以SW2的F0/24端口成为根端口。
　　　　选择指定端口，是在每一条链路上选择一个指定端口，依据是：

　　　　（1）根路径成本较低

　　　　（2）所在交换机的网桥ID的值值较小

　　　　（3）端口ID的值较小（和选举根端口不同，选举指定端口是比较自己的端口ID）

　　　　和根网桥上的端口都是指定端口，因为到根网桥的路径成本为0

　　　　三台交换机的选举
　　　　


　　　　　　　　图：3-1

　　　　如图：3-1 SW1的F0/23，F0/24成为指定端口，现在要在SW2和SW3的链路上选择一个指定端口。

　　　　先比较到根路径的成本，SW2的F0/23到根网桥的成本为38（19+19），SW3上的F0/24到根网桥的成本也是38（19+19），这时就要比较交换机所在的网桥ID值，SW2的网桥ID值比SW3的网桥ID值小，所以SW2的F0/23成为指定端口。

　　　　选举结束后，SW3的F0/24端口既不是根端口，也不是指定端口，SW3的F0/24的端口被阻塞。被阻塞的端口不能传输数据，SW2和SW3的之间的链路成为备份链路。
　　　　二台交换机的选举就不列举了
　　　　

　　　　4.生成树算法的验证

　　　　在交换机上使用 show spanning-tree查看生成树
　　　　5.BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元）

　　　　交换机之间根据网桥ID选择根网桥，根据根路径成本选择根端口和指定端口，那么交换机如何获知网络中的其他交换机的网桥ID呢？根路径成本又是怎么算出来的？
　　　　交换机之间通过BPDU来交换网桥ID,端口ID，根路径成本等信息。交换机从端口发送出一个BPDU帧，使用该端口本身的MAC地址作为 源地址。交换机本身并不知道它的周围是否还有其他交换机存在。因此，BPDU帧利用了一个STP组播地址（01-80-c2-00-00-00）作为它的 目的地址，使之能到达相邻的、并处于STP侦听状态的交换机。
　　　　交换机每隔2秒，向所有端口发送一次BPDU报文，以便交换机能能交换最新的拓扑信息，并迅速识别和检测其中的环路。
　　　　5.1 BPDU的两种类型，一种是配置BPDU，用于生成树计算。第二种是拓扑变更通告BPDU，用于通告网络拓扑变化。

　　　　5.2 BPDU中包含根网桥ID、根路径成本、发送网桥ID、端口ID、计时器等

　　　　（1）根网桥ID：是由一个二字节优先级和一个六字节的网桥MAC地址组成，这个信息组合标明已经被选定为根网桥的设备标识。

　　　　（2）根路径成本：说明了这个BPDU从根网桥传输了多远，成本是多少。这个字段的值用来决定哪些端口进行转发，哪些端口将被阻塞。

　　　　(3)发送网桥ID，这是发送该BPDU的网桥信息。由网桥的优先级和网桥的MAC地址组成。

　　　　(4)端口ID，端口ID是由一个字节的端口优先级和一个字节的端口编号组成。

　　　　(5)计时器：计时器用以说明生成树用多长时间能完成它的每项功能。这些功能包括报文的老化时间、最大老化时间、访问时间和转发延迟。
　　　　5.3 STP利用BPDU选择根网桥的过程
　　　　根网桥的选择是一个持续、反复的过程，它每隔2秒出发一次，检查BPDU的根网桥ID是否发生了变化、网络中是否有网桥ID值更低的交换机假如进来。根网桥的选择具体如下：

　　　　当一台交换机第一次启动时，假定自己是根网桥，在BPDU报文中的网桥ID字段填入自己的网桥ID，向外发送。
　　　　


　　　　　　　　图：5-1 交换机假定自己是根网桥，并且向其他交换机发送BPDU报文
　　　　交换机比较接收到BPDU报文中的网桥ID和自己本身的网桥ID值，如果接收到BPDU中报文的网桥ID比自己小，则将自己保存的网桥ID 替换成更小的网桥ID值并向外发送。这时，交换机仍会继续监听其他交换机发送的BPDU报文，比自己保存的小，就替换掉。这样，　　　　一段时间后，所有 的交换机都接收到BPDU报文后，就能选择出根网桥。
　　　　


　　　　



　　　　　图：5-2 交换机比较接收到BPDU中的网桥ID，用较小的替换掉保存的根网桥ID

　　　　5.4 STP利用BPDU确定端口的根路径成本。

　　　　根网桥发送一个根路径成本为0的BPDU报文，因为端口本身属于根网桥。
　　　　


　　　　当下一级交换机接收到BPDU报文后，就把BPDU所到达的那个端口的成本与根网桥的成本值相加。
　　　　


　　　　邻接的交换机以新的根路径成本值向外发送BPDU报文

　　　　当邻接交换机的下一级交换机收到此BPDU报文时，把到这个端口的成本值与根路径成本值相加，依次类推。
　　　　6.STP的收敛
　　　　(1)生成树端口的状态
　　　　生成树协议在交换机中自动运行，在交换机开机是可以看到交换机的指示灯为黄色，大约有30秒的时间不能转发数据，这是交换机在运行STP计算。直到交换机的STP计算完毕后，有些端口可以转发数据，有些端口阻塞，也就是网络收敛后，才能转发数据。并且当　网络拓扑发生变化时，交换机还要重新运行STP计算，形成新的网络拓扑.
　　　　在STP计算过程中，交换机的每一个端口都必须一次经历好几种状态。
　　　　


　　　　如果一个端口允许转发数据，它首先从Disabled状态开始，经过几个被动状态，最后进入Active状态。　　　　
　　　　Disabled（禁用）：由网络管理员设定或因网络故障使系统的端口处于Disabled状态，这个状态时比较特殊的状态，它并不是端口正常STP的一部分。
　　　　Blocking（阻塞）：在端口初始化后，一个端口既不能接收或者发送数据，也不能向它的地址表中添加MAC地址。这样的端口状态仅允许接收BPDU报文，以便能侦听其他交换机的信息。此外，选出制定端口后非指定的端口也将处于阻塞状态。
　　　　Listening（侦听）：如果交换机认为一个端口可选为根端口或者指定端口，那么，它就把该端口从Blocking状态变为Listening状态。　　　　
　　　　Listening状态，端口仍不能接收或者发送数据帧。但是可以接收、发送BPDU报文，以便让端口加入到STP拓扑过程中。由于端口可以通过发送、接收BPDU报文给其他交换机通告端口的信息。所以端口可能被允许成为根端口或者指定端口，如果该端口失去根端口或者指定端口的地位，那么它将返回到Blocking状态。
　　　　Learning（学习）：一个端口在Listening状态下经过一段时间后（称为转发延迟）将转为Learning状态。Learning状态可以接收、发送BPDU报文，也可以学习MAC地址，并将MAC地址添加到地址表中。
　　　　Forwarding（转发）：在Learning状态下再经历一定的转发延迟时间，该端口转入到Forwarding状态。此状态下，可以发送、接收数据帧，也可以学习MAC地址，还可以接收、发送BPDU报文。此状态下，端口才成为一个全功能的交换机端口。
　　　　
　　　　(2)生成树计时器
　　　　STP在交换机互相发送BPDU报文时，尽力形成一个无环路的网路。BPDU报文总一台交换机传送到另外一台交换机时总要花费一定的时间，另外，当网络结构发生变化的消息传送到另一侧时，也要经历一定的转播延迟。由于存在这些延迟，而需要为交换机设置足够的时间来完成BPDU的转发和生成树的计算，因此，在交换机的内部设置了一些计时器来控制每个阶段的时间长度。
　　　　STP利用三种计时的方法来确保网络的正确收敛：
　　　　Hello时间：网桥发送配置BPDU报文的间隔时间。默认为2秒
　　　　转发延迟：一个交换机的端口从Listening和Learning状态所花费的时间间隔。默认值各为15秒
　　　　最大老化时间：交换机在丢弃BPDU报文之前储存它的最大时间。在执行STP时，每一个交换端口都保存着一份“最好的”BPDU备份。如果源BPDU报文失去了与交换机端口的联系，交换机则在最大老化时间之后通知网络拓扑已经发生了变化。最大老化时间默认为20秒
　　　　侦听和学习都是生成树所实施的过渡状态，用来强迫端口等待来自其他交换机上所有的BPDU。典型的端口过渡如下：
　　　　　
　　　　


　　　STP的计时器可以调整，如果不是经过认真考虑，建议不要轻易改变计数器时间的默认值。

附件：http://down.51cto.com/data/2358145