生成树协议（STP：802.1D、RSTP：802.1w、MSTP：802.1s）

在二层网络中，如果没有生成树协议，会带来哪些问题:
1、广播风暴
2、MAC地址表飘移
3、重复数据帧接收

回顾生成树有哪些术语:
1、根桥为了破除环路，生成树网络首先要选举出一个首脑，头脑，首领。叫做根桥，也叫作根交换机
2、桥ID bridge-id:由桥优先级(默认取值为32768，必须为4096的倍数)和桥MAC地址组成
3、root ID 根桥的桥ID(经常在BPDU报文中看到)
4、非根桥除了根桥以外的交换机都叫做非根桥或非根交换机，一个生成树网络中有且只有一个根桥
5、端口ID 也叫作PID:Port ID:由端口优先级(默认取值128，必须是16的倍数)和端口号构成
6、RPC root path cost 根路径开销，即到达根桥的开销值交换机计算生成树开销值根据dot1t协议计算，千兆接口全双工为20000
7、根端口又叫做RP，root port：非根桥上去往根桥最近的端口(非根交换机接收最优BPDU的端口成为根端口)
8、指定端口又叫做DP，会在每一条链路上的两个端口之间选取出一个指定端口用于转发BPDU
9、BPDU 桥协议单元，是生成树协议唯一的报文，分为配置BPDU和TCN-BPDU，只有根桥可以发出配置BPDU，其他非根桥转发根桥的配置BPDU，非根桥可以发出TCN-BPDU

在这里插入图片描述

根桥ID：0741，开销值20000

指定端口帮助根桥转发BPDU，BPDU只能从指定端口发送，根端口是不发送BPDU的，只接收BPDU
总结：发送的为指定端口；接收的为根端口

一、STP:

在这里插入图片描述

1、选举根桥

所有交换机在初始状态下都会认为自己是根桥，发送以自己为根的BPDU(报文中的root id字段为自己的BID
所有的交换机都会使用BPDU中的root id来进行PK，比较桥ID，谁的BID更优秀谁将成为根桥。
BID的比较原则:首先比较桥优先级，数值默认为32768，越小越优。如果优先级比较不出来，则继续比较桥MAC地址，越小越优先。

2、在每一台非根交换机上选举一个根端口

选举原则:非根交换机接收到最优BPDU的接口为根端口（RP）
最优BPDU的标准:
	2.1 root id小的				根桥的桥ID
	2.2 RPC小的(报文中携带的RPC+该接口的RPC)
	2.3 sender bid小的		由桥优先级（默认取值为32768，4096倍数）和桥MAC地址组成
	2.4 sender pid小的		由端口优先级（默认取值128，16的倍数)和端口号构成
	2.5 本地pid小的			即 接口id更小的

3、在每一条链路上选择一个指定端口

当非根交换机选举出根端口以后，将会默认其他端口为指定端口。那么就会将根端口接收到的BPDU进行一个加工,将自己的一些参数加工后，生成新的BPDU由这些指定端口向外发送
这个指定端口在向外发送加工后的BPDU时，同时也会受到对向发来的BPDU。这时就要进行PK：
	3.1	收到对端发来的BPDU后，如果认为自己的BPD更优秀，那么DP端口不会改变，继续保持为DP角色收到
	3.2	对端发来的BPDU后，如果认为对方的BPDU更优秀，那么DP端口将会被阻塞。
	注意：**根桥的所有端口默认为指定端口**

STP小总结：

1、STP的端口角色:

	RP:根端口
	DP:指定端口
	AP:预备端口（阻塞端口）(不属于STP的端口角色)		属于根端口（RP）的备份
	BP：备份端口（不属于STP的端口角色)		属于指定端口（DP）的备份
	所有:STP的端口角色只有两种

2、STP的端口状态:

	2.1 disable				端口down或者没有开启STP协议，这时该接口不处理任何BPDU
	2.2 listening				接收BPDU，发送BPDU，不学习MAC地址，不转发数据
	2.3 learning				接收BPDU，发送BPDU，学习MAC地址，不转发数据
	2.4 forwarding			接收、发送BPDU，学习MAC地址，转发数据
	2.5 blocking				接收、不发送BPDU，不学习MAC地址，不转发数据

{
1：disable：端口禁用或者链路失效
2：blocking：端口初始化或使能、或者为阻塞状态（1->2或3->2）
3：listening：端口被选为根端口或者指定端口
4：learning：计时15s
5：forwarding：计时15s 历经30s
}

3、拓扑改变（TC和TCA置位）

	在STP协议中，BPDU有两种类型，分别为配置BPDU和TCN-BPDU
	当非根交换机网络拓扑发生改变时，会发送TCN-BPDU给根桥，沿路交换机会给原始交换机回复TCA，同时继续向根桥转发该TCN-BPDU
	当根桥收到TCN-BPDU后，将会沿原路回复TC和TCA置位的配置BPDU，沿路收到TC置位的BPDU时将会把自己的MAC地址表老化时间强制修改为15s。

（mac地址默认的老化时间是5min）
在这里插入图片描述
TC和TCA都置位为1代表要快速收敛了

4、STP的几个计时器

	4.1  hello time：2s一次
	4.2 老化时间max age：20s
	4.3 message age：每转发一次会+1,默认最大不超过20跳
	4.4 forwarding delay：15s

在这里插入图片描述
blocking->Listening很短暂就选出好了，其他两个就很久各自要15s才能到达

由于STP一收敛就断30s，所以当网络拓扑频繁发生变化时，网络也会随之失去连通性。所以2001发布了802.1w标准定义的RSTP（STP：802.1d，MSTP：802.1s）

二、RSTP：

1、端口角色的扩充

RP:根端口
DP:指定端口
AP:预备端口(阻塞端口)，给RP做备份的
BP:备份端口(backup port)，给DP做备份的

2、端口状态的优化

对于disable listening blocking状态来说结果都是不转发流量，不学习MAC，RSTP将这3个状态合并为一个:discarding状态（3合1状态）

3、P/A机制

4、根端口快速切换机制

5、次优BPDU立即处理，配合P/A机制

6、EP（边缘端口）

RSTP中一旦端口变为RP，先进入到侦听，再学习，再转发
RSTP中有PA协商，从discarding直接到达Forwarding状态

在华为设备中：A一直都是1，不会变成0

3：P/A机制：

P/A机制原理：两个交换机（1、2）都发送P置位的BPDU，比较两个桥ID哪个更优，更优的就继续发送以P置位的BPDU，2则发送A置位的BPDU，端口角色也从DP更换成RP。端口状态也直接变成Forwarding，这时候1收到2的A置位的BPDU，那么1的端口角色保持DP，端口状态会变成Forwarding状态，此时，交换机1发送的BPDU不再需要P置位，因为它已经是根桥。A置位用于确认收到的BPDU信息。
在这里插入图片描述
解析：即代表上述中的2发送A置位的BPDU，端口角色也变成了RP，端口状态变成Forwarding

解析：代表上述中的1收到2的A置位的BPDU，端口角色仍为DP，端口状态为forwarding。因为这时候它已经是根桥ID了，所以不用把P置位了

RSTP报文解析：

RSTP协议
RSTP版本
BPDU的类型（RSTP中只有这一种）
BPDU flag：
TC和TCA为1的时候要快速收敛
Proposal和agreement（统称PA协商）P置位、A置位
如果forwarding和learning都为1就代表Forwarding（转发）状态，
如果forwarding为0和learning为1就代表learning状态
如果forwarding和learning都为0就代表discarding状态
Port Role：Designated（DP）指定端口角色若是为Root则是RP根端口
Root ID：根桥ID
Root Path Cost：到达根桥的开销值
Bridge Identifier：发出该报文的桥ID
PID：0x8001端口ID（端口优先级（默认为128）+端口号）（8等于1000，1等于0001，合成等于128）

4：根端口快速切换机制

AP直接变成RP，并进入forwarding状态（不需要像STP等30s才能进入）
在这里插入图片描述

5：次优BPDU立即处理，配合P/A机制

AP会收到SWB发送的P置位的BPDU，同时也发送SWA发送给SWC的BPDU，两者进行PA协商，最后SWC的AP阻塞端口变更为DP，SWB的DP端口变更为RP。

如果在STP中，SWC就要等SWA给SWC的BDPU老化时间（20s），然后再等SWB与SWC的STP收敛，然后AP会变成DP（30s）

在这里插入图片描述

6：EP边缘端口

为了不让PC与交换机的收敛还要照着STP收敛速度等30s 而设计的

6.1：当配置边缘端口，那么该端口默认不会进行STP收敛工作，而是直接进入forwarding（转发）状态
6.2：当边缘端口收到BPDU后，该接口变成普通端口，进行生成树收敛工作。
6.3：边缘端口每2s会发送一个BPDU，用于判断是否自环
6.4：当检测到自己发出的BPDU从其他边缘端口收进来时，会判断为**自环**，然后2个边缘端口都会变成普通端口，进行生成树收敛工作。

交换机上的
stp mode rstp						//配置rstp
stp priority 0						//配置stp优先级
interface GigabitEthernet0/0/3
stp edged-port enable				//将端口配置为边缘端口

[ISW8]stp edged-port default		//全局边缘端口
		
stp disable							//关闭stp
stp enable							//开启stp
display bridge mac-address			//比较桥MAC地址
eg：System bridge MAc address:4c1f-cc47-332e

在这里插入图片描述
LSW5配置了边缘端口，每2s发送BPDU，
解析：发送一个组播地址，（只有加入这个组播，才能处理这个BPDU），但是又因为它不支持生成树，即不在这个组里，所以无法处理。所以LSW5两个接口都收不到对方接口的BPDU，所以无法进行生成树的收敛了，所以就导致环路。
如果LSW6是一个物理层设备就可以直接作为转发设备。（交换机至少是2层设备，不能直接透传组播流量）所以会把BPDU转发给LSW5的另一个接口，所以会进行生成树的收敛，LSW5的g0/0/1接口就会进入Forwarding状态，g0/0/2接口就会进入discarding状态。

组播：以 01 开头的MAC地址是组播地址

关于STP和RSTP的问题:

5.1 端口状态优化
原本STP公有协议中具有5种端口状态，但是华为在实现STP协议时，参考了RSTP的相关特性，因此华为设备中的STP协议只具有三种状态，和RSTP一致
5.2 端口角色的优化
原本STP只有2个端口角色，华为在实现STP时借用了RSTP的端口角色，因此在STP中，可以看到RP DP AP BP等4个端口角色，和RSTP一致5.3 STP对于AP接口的优化
原本STP协议中AP接口对于次优BPDU不会立即处理，需要等待20s的老化时间华为在实现STP协议时参考了RSTP的特性，AP接口可以立即处理次优BPDU了，但是时间上仅仅从50s缩短至30s。(因为没有P/A机制)
5.4 STP也可以支持EP端口角色

BPDU保护

1、针对对象：边缘端口

由于边缘端口存在一定风险，当外接支持生成树功能的交换机时会触发BPDU收敛，如果新接的交换机BID更优秀，那么可能会造成根桥易主，直接造成网络重新收敛，导致断网。

保护方法:针对边缘端口配置BPDU保护。

作用原理:当边缘端口配置了BPDU保护以后，边缘端口在收到BPDU以后，该接口会进入error-down状态。

在这里插入图片描述
如果直接连接会导致：断开30s

[LSW1]stp mode rstp
[LSW1]stp priority 4096

[LSW2]stp mode rstp
[LSW2]stp priority 32768
[LSW2-GigabitEthernet0/0/2]stp edged-port enable 	//让2接口变成边缘端口就行
[LSW2]stp bpdu-protection			//全局下配置BPDU保护功能，那么只要是边缘端口就会默认将开启BPDU保护功能

[LSW3]stp mode rstp
[LSW3]stp priority 0

开启完后，就算手动把LSW2与LSW3的接口进行undo shutdown，则先变成up状态，接着又收到了对方的BPDU报文，所以又变成down状态（Administratively down）了
在这里插入图片描述

配置边缘端口的两种方法（全局配置和上述演示的单个接口配置）

 stp edged-port default //全局配置该命令后，交换机的所有接口全部配置为边缘端口
 如果需要改成普通端口stp edge-port disable

恢复措施：
手动恢复：关掉LSW3的stp，在接口下undo shutdown
自动恢复：[S8]error-down auto-recovery cause bpdu-protection interval 30//配置由于bpdu保护被shutdown的接口在30秒后自动恢复
记得先配置这个，如果目前LSW3是开启的，就先把LSW3的stp取消，再开启，再取消，就可以等到他30s自动回复了

根保护

针对对象：普通端口
作用原理:
如果一个接口没有开启边缘端口，那么这个接口就无法使用BPDU保护，
那么就只能使用根保护功能。根保护功能可以将一个端口强制为DP接口，防止周围交换机成为根桥。当一个接口开启根保护后，一旦收到了更优的BPDU时，那么接口角色不变，接口状态变为discarding
注意：根保护只能保护DP接口，不能保护RP接口:

解析：
配置完后，他的接口会被成阻塞状态，虽然能收到另一个交换机的BPDU，但是不理他

恢复：当接口不再收到更优的BPDU之后，将会进入正常的STP收敛过程。理论上这个恢复时间为2个转发时延

保护的目的都是为了不让根桥变动，从而发生网络动荡

环路保护

现象:
在已经形成环路的交换网络中，由于光纤链路出现单通故障，导致RP接口无法收到根桥发来的BPDU，那么老化时间超时后,RP接口将变成DP接口，AP接口变成RP接口并且快速进入转发状态。此时DP接口将会由discarding状态经过2个转发时延后进入到forwarding状态，此时将会导致一个方向的环路问题。
作用:为了防止出现这种环路，对根端口开启环路保护后，在无法收到上游发来的BPDU后，根端口会变为DP角色并且保持discarding状态不会在变化。
环路保护可以在RP和AP接口上开启。
命令:
stp loop-protection//在该接口开启环路保护功能，一旦链路恢复通畅，将立刻恢复正常的STP收敛结果。恢复。

TC-BPDU保护(限制):
现象:运营STP的交换机，在默认接收到TC-BPDU后会删除MAC地址表项和ARP表项作用:防止TC-BPDU泛洪。命令:
//接口下开启TC-BPDU限制功能[HUAWEI-GigabitEthernet0/0/1l stp tc-restriction enable//全局开启TC-BPDU保护单位时间[HUAWEI] stp tc-protection interval 10HUAWEI ]//全局开启Tc-BPD单位时间内的接收报文数量值stp tc-protectionthreshold 5综上:以上三条命令配合使用，实现该接口在10秒钟内最多只能接收5个TC-BPDU，超限接收则丢弃

MSTP

在这里插入图片描述

由于生成树会进行破环，将一条链路进行阻塞(备份)
因此会产生一些问题:
问题1:次优路径
问题2:链路不能负载分担
问题3:部分VLAN链路不同

华为中，STP和RSTP都跑在一颗生成树上（另外一颗会被阻塞掉），所以MSTP生成树随之诞生

[LSW3]stp mode mstp						//stp调整为MSTP
[SW1]stp region-configuration			//进入MSTP域配置视图
[SW1-mst-region]region-name HUAWEI		//配置MST的域名,如果没有配置，缺省会使用桥MAc地址代替
[LSW1-mst-region]revision-level 12		 //配置修订级别 如果没有配置，缺省为0
[SW1-mst-region]instance 10 vlan 10		//将vlan10加入实例10
[SW1-mst-regionlinstance 20 vlan 20		//将v1an20加入实例20
[LSW1-mst-region]active region-configuration//激活以上配置(必须激活才会生效，每增加新配置，都要重新激活)

交换机都要加上以上配置

[SW1]stp instance 10 root primary	//将交换机1配置为实例10的主根(作用就是实例10的优先级配置为0)
[SW2]stp instance 20 root primary	//将交换机2配置为实例20的主根(作用就是实例20的优先级配置为0)
[SW2]stp instance 10 secondary 		//将交换机2配置为实例10的备份根桥，一旦sw1挂了，sw2将成为实例10的根桥 
[SW1lstp instance 20 secondary		//将交换机1配置为实例20的备份根桥，一旦sw2挂了，sw1将成为实例20的根桥


常用查看命令:
1、[SW1]display stp instance xx 			//查看当前实例详细信息
2、[SW1ldisplay stp region-configuration 	//查看当前MST域内的详细配置