🕒 1. STP技术工作原理

以太网交换机使用生成树协议STP（Spanning Tree Protocol），可以在提高网络可靠性的同时又避免环路带来的各种问题。

生成树算法STA（Spanning Tree Algorithm）是生成树协议STP的核心。它的实现目标是：在包含有物理环路的网络中，构建出一个能够连通全网各节点的树型无环逻辑拓扑。

STP协议由IEEE 802.1D 定义，描述时使用的是“网桥”，由于“交换机”的本质是“多端口网桥”，接下来都使用“网桥”来描述。

生成树算法的三个步骤：

1. “选举”根交换机
2. “选举”根端口
3. “选举”指定端口并阻塞备用端口

注：这里所谓的“选举”，是通过网络中各交换机相互发送生成树协议专用的数据帧来实现的，这些交换信息的报文称为网桥协议数据单元，简称BPDU。

选举根交换机：

• 根交换机的选举条件：网桥ID（BID）最小者当选。
• 网桥ID（BID）由以下两部分构成：
  • 优先级（2字节）
    • 范围：0 - 61440（也有说法是65535）
    • 步长：4096
    • 默认值：32768
  • 交换机的基本MAC地址（6字节）
• 网桥ID （BID）的比较方法：
  • 优先级取值越小，则网桥ID（BID）就越小。
  • 若优先级相同，则比较MAC地址，从MAC地址的左侧开始依次比较，数值小的，则网桥ID（BID）就小。

选举根端口：

• 在每一个非根交换机上选出一个根端口RP（Root Port），并且只能是一个。
• 根端口RP用于接收根交换机发来的BPDU，也用来转发普通流量。
• 根端口RP的选举条件：
  • BPDU接收端口到根交换机的路径成本（端口开销）最小。
    $\begin{array}{cc}\text{ 链路带宽 }& \text{ 成本值 }\\ 4Mb/s& 250\\ 10Mb/s& 100\\ 16Mb/s& 62\\ 100Mb/s& 19\\ 1Gb/s& 4\\ 10Gb/s& 2\end{array}$
  • 对端的网桥ID（BID）最小。
  • 对端的端口ID（PID）最小。
    • 优先级范围（1 - 4bit）
      • 范围：0 - 240
      • 步长：16
      • 默认值：128
    • 端口号（5 - 16bit）

选举指定端口（Designated Port）并阻塞备用端口（预备端口）：

• 在每一个网段上选出一个指定端口DP ( Designated Port）并且只能是一个。
• 指定端口DP用于转发根交换机发来的BPDU，也用来转发普通流量。
• 指定端口DP的选举条件：
  • 根交换机的所有端都是指定端口DP。
  • 根端口的对端端口一定是指定端口DP。
  • BPDU转发端口到根交换机的路径成本最小。
  • 本端的网桥ID（BID）最小。
  • 本端的端口ID（PID）最小。
• 剩余端口成为备用端口AP（Alternate Port），将它们阻塞。

端口状态描述：

端口状态	描 述
Disabled（端口没有启用）	此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，不参与生成树计算。
Listening（侦听状态）	此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，只参与生成树计算，接收并发送BPDU。
Blocking（阻塞状态）	此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，此状态下端口接收并处理BPDU，但是不向外发送BPDU。
Learning（学习状态）	此状态下端口不转发数据帧，但是学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。
Forwarding（转发状态）	此状态下端口正常转发数据帧，学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。

• 当端口正常启用之后，端口首先进入Listening状态，开始生成树的计算过程。
• 如果经过计算，端口角色需要设置为预备端口（Alternate Port），则端口状态立即进入Blocking；
• 如果经过计算，端口角色需要设置为根端口（Root Port）或指定端口（Designated Port），则端口状态在等待Forward Delay之后从Listening状态进入Learning状态，然后继续等待Forward Delay之后，从Learning状态进入Forwarding状态，正常转发数据帧。

🕒 2. BPDU报文

STP生成树的计算，根端口、指定端口的选举，都是借助BPDU（Configuration Bridge Protocol Data Unit）报文进行信息的传递和交换的。

BPDU报文有两类：配置BPDU和TCN BPDU

🕘 2.1 配置BPDU

• 配置BPDU使用标准LLC格式封装在以太网数据帧中。
• 配置BPDU只在指定端口（Designated Port）上发送。
• DMAC：目的MAC地址。发送配置BPDU的数据帧使用保留的组MAC地址01-80-C2-00-00-00，此地址标识所有交换机，但是不能被交换机转发，也即只在本地链路有效。
• LLC Header：目的服务访问点（Destination Service Access Point, DSAP）和源服务访问点（Source Service Access Point, SSAP）的值都设为二进制01000010。Ctrl字段的值设为3。

• 当STP初始计算选举根交换机时，各个交换机主动生成并发送配置BPDU。
• 选举结束后，只有根交换机才能主动生成并发送配置BPDU
• 非根交换机只有在自己的根端口收到配置BPDU报文才能根据收到的报文生成配置BPDU从指定端口发送。

配置内容：

报文标识：

参数	比特数	描 述
Protocol Identifier （协议标识）	16比特	取值0x0000
Protocol Version Identifier （协议版本标识）	8比特	取值0x00
BPDU Type （BPDU类型）	8比特	配置BPDU报文取值0x00 拓扑改变通知BPDU报文取值0x80
Flags （标志）	8比特	配置BPDU报文取值0x00 拓扑改变配置BPDU报文取值0x01 拓扑改变确认配置BPDU报文取值0x80

STP计算：

参数	比特数	描 述
Root Identifier	64比特	当前根交换机的桥ID
Root Path Cost	32比特	发送该BPDU报文的交换机的根路径开销
Bridge Identifier	64比特	发送该BPDU报文的交换机的桥ID
Port Identifier	16比特	发送该BPDU报文的端口ID

时间参数：

参数	比特数	描 述
Message Age	16比特	该BPDU报文从根桥发送到当前交换机的总时间，随时间增长而变大，若达到Max Age，则此配置BPDU被认为已经过期
Max Age	16比特	BPDU报文的最大生命周期，默认取值20s
Hello Time	16比特	交换机发送配置BPDU的报文周期，默认取值2s
Forward Delay	16比特	端口Listening和Learning状态的持续时间，默认取值15s

🕘 2.2 TCN BPDU

如果网络拓扑发生了变化，会触发STP 的重新计算，新的生成树拓扑可能会跟原先的网络拓扑存在一定的差异。

在交换机上，指导报文转发的是MAC 地址表，默认的动态表项的生存时间是300 s，此时，数据转发如果仍然按照原有的MAC 地址表，会导致数据转发错误。

为防止拓扑变更情况下的数据发送错误，STP 中定义了拓扑改变消息泛洪机制。

当网络拓扑发生变化的时候，除了在整网泛洪拓扑改变信息外，同时修改MAC 地址表的生存期为一个较短的数值，等拓扑结构稳定之后，再恢复MAC 地址表的生存期。

在向整网泛洪拓扑改变信息的过程中，共涉及三种BPDU：

1. 拓扑改变通知BPDU：TCN（Topology Change Notification） BPDU。用于非根交换机在根端口上向上行交换机通告拓扑改变信息，并且每隔Hello Time（2秒）发送一次，直到收到上行交换机的拓扑改变确认配置BPDU或者拓扑改变配置BPDU。
2. 拓扑改变确认配置BPDU：TCAN（Topology Change Acknowledgment Configuration） BPDU。配置BPDU的一种，和普通配置BPDU不同的是此配置BPDU设置了一个Flag位。用于非根交换机在接收到拓扑改变通知BPDU的指定接口上向下行交换机发送拓扑改变通知的确认信息。
3. 拓扑改变配置BPDU：TCC（Topology Change Configuration） BPDU。此配置BPDU设置了另外一个Flag位。用于从根交换机向整网泛洪拓扑改变信息，所有交换机都在自己所有的指定端口上泛洪此BPDU。

SWA收到SWB发送的拓扑改变通知BPDU之后，每隔2秒向网络中发送拓扑改变配置BPDU（设置了一个Flag位的配置BPDU），使网络中所有的交换机都把MAC地址表的生存期修改为Forward Delay（15秒），经过一段时间（Max Age加上Forward Delay，默认为35秒）之后，SWA（根交换机）在自己发送的配置BPDU中，清除Flag位，表示网络拓扑已经稳定，网络中的交换机恢复MAC地址生存期。

拓扑改变通知BPDU格式：

参数	字节数	内容
2字节	Protocol Identifier	0x0000
1字节	Protocol Version Identifier	0x00
1字节	BPDU Type	0x80

拓扑改变确认配置BPDU和拓扑改变配置BPDU都是配置BPDU的一种，和普通的配置BPDU不同的是：

• 普通的配置BPDU中Flag字段全部设置为0；
• 拓扑改变确认配置BPDU将Flag字段的第8位设置为1；
• 拓扑改变配置BPDU将Flag字段的第1位设置为1。

🕒 3. 实验：了解STP生成过程

题目：作为公司的网络管理员，公司的网络使用了两层网络结构，核心层和接入层，在接入层采用了冗余网络，为避免存在的环路问题，决定使用STP 来进行环路控制。

设备	接口	接口类型	所属VALN	允许通过VLAN
IOU1	Ethernet 0/0	Trunk		ALL
	Ethernet 0/1	Trunk		ALL
IOU2	Ethernet 0/1	Trunk		ALL
	Ethernet 0/2	Trunk		ALL
	Ethernet 0/3	Access	VLAN 10	ALL
IOU3	Ethernet 0/1	Trunk		ALL
	Ethernet 0/2	Trunk		ALL
	Ethernet 0/3	Access	VLAN 10	ALL

设备	接口	IP地址
PC-1	Ethernet 0	192.168.1.1/24
PC-2	Ethernet 0	192.168.1.2/24

实验步骤：
1、交换机基本配置
（1）在IOU1、IOU2、IOU3上创建vlan 10
（2）在IOU1、IOU2、IOU3上配置access口和trunk口

2、PC配置IP地址

3、STP基本配置
（1）在思科二层交换机中，STP是默认开启的。
（2）查看生成树的情况。（根网桥ID、交换机ID、各端口角色）

 IOU1#show spanning-tree
 IOU2#show spanning-tree
 IOU3#show spanning-tree

（3）测试PC1到PC2的连通性

（4）关闭IOU3的e0/1口，再次查看生成树的情况

IOU3(config)#int e0/1
IOU3(config)#shutdown

（5）再次测试PC1到PC2的连通性

（6）更改IOU3的优先级，使其成为根网桥

IOU3(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096

（7）再次查看生成树的情况

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作者：HinsCoder
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