STP生成树总结

news2024/9/22 7:39:59

一、什么是STP（802.1D）
       STP协议生来就是为了冗余而存在的，单纯树型的网络无法提供足够的可靠性，由此我们引入了额外的链路，这才出现了环路这样的问题。但单纯是标准的802.1D STP协议并不能实现真正的冗余与负载分担。
       STP为IEEE 802.1D标准，它内部只有一棵STP tree，因此必然有一条链路要被blocking，不会转发数据，只有另外一条链路出现问题时，这条被blocking的链路才会接替之前链路所承担的职责，做数据的转发。无论怎样，总会有一条链路处于不被使用的状态，冗余是有了，但是负载分担是不可想象的。
       cisco对STP做了改进，它使得每个VLAN都运行一棵stp tree，这样第一条链路可以为vlan 1 2 3服务，对vlan 4 5 6 blocking，第二条链路可以为vlan 4 5 6 forwarding，对vlan 1 2 3关闭，无形中实现了链路的冗余，负载分担。这种技术被称之为PVST+随着网络的发展，人们发现传统的STP协议无法满足主备快速切换的需求，因为STP协议将端口定义了5种状态，分别为：blocking listening learning forwarding disabling，想要从blocking切换至forwarding状态，必需要经过50秒的周期，这50秒我们只能被动地去等待。20秒的blocking状态下，如果没有检测到邻居发来的BPDU包，则进入listening，这时要做的是选举Root Bridge、Designate Port、Root Port，15秒后，进入learning，learning状态下可以学习MAC地址，为最后的forwarding做准备，同样是15秒，最后到达转发状态。这样的延时在现代网络环境下是让人极为难以忍受的。

二、生成树的原理和工作过程
2.1.原理
在一个二层交换网络中，逻辑的阻塞部分接口；形成从源到目标唯一路径（即使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径）；当最佳路径故障时，自动疏通被堵塞的部分接口，来继续网络通讯；实现线路备份
注意： 阻塞是逻辑阻塞，不是物理阻塞，所以不是shutdown

2.2.工作过程（即选举过程）
（1）第一步选出根网桥
对比BPDU中的桥ID： 桥ID= 网桥优先级 + MAC地址（本地背板池）
交换机作为网桥设备时，关注终端设备发送的数据帧中的MAC地址；但交换机本地无MAC；
需要运行STP协议的交换机，必须在出厂时由厂家进行MAC的写入-存储于交换机的背板地址池中
若交换的背板地址池中MAC地址为多个，将选择数值最小的地址来进行选举
先比较网桥优先级（0-65535，默认32768），小优；若优先级一致，比较MAC地址，数值小优；
注明： 在每一棵生成树实例中，有且仅有一台交换机作为根桥；负责发送BPDU，计算和指挥整个树的收敛；作为树形结构的根部，交换网络部分的中心节点；

（2）第二步选出根端口
在每一台非根网桥上有且仅有一个接口；本地离根网桥最近的接口，用于接收来自根网桥的BPDU，同时转发终端的数据帧；

① 比较从根网桥发出，之后通过该接口进入时最小的cost值；
② 若入向的cost相同，比较接口对端的设备的BID，小优
③ 若对端设备的BID相同，那么比较对端接口的PID；小优
④ 若对端设备的PID相同，那么比较本地的PID，小优
PID=端口ID = 接口优先级（0-240，默认128 小优）+ 接口编号 先比较优先级，小优；若优先级相同比较接口编号，数值小优

（3）第三步选出指定端口
指定端口：在每一段运行了STP的物理链路上有且仅有一个接口；转发来自根网桥的BPDU，同时转发终端的数据帧；根网桥上所有接口均为指定端口；根端口的对端一定为指定端口；

① 比较转发来自根网桥的BPDU是，出项的最小cost值
② 若出向cost值相同，比较本地的BID，小优
③ 若本地的BID相同，比较本地的PID，小优
④ 若本地PID相同，将直接阻塞该端口
（4）第四步选出非指定端口
非指定端口：以上所有角色选举完成后，剩余各个接口的角色；该接口处于阻塞状态；
接口阻塞是逻辑上的，并不是接口被关闭；该接口处于可以接收到数据，但不进行转发的状态；

2.3. 练习：画出这三个图的生成树
题目解释：

1.优先级是默认的
2.ABCD的mac的地址值 :A<B<C<D
3.蓝色的数字是接口编号
4.cost值默认为19
5.b的bid小于c的bid，c的bid小于d的bid


 A是根网桥，紫色的圈是根端口，橙色的勾是指定端口，黄色的叉是非指定端口。

第一个图：

在这里插入图片描述
去掉堵塞的接口之后的图是：（这样就是星型的了）

 在这里插入图片描述

第二个图：

在这里插入图片描述
第三个图：

 在这里插入图片描述


从A->D->F 与A->C->F 的入口的cost值相同，比较对端的bid，c的bid小于d的cid，所以F的2接口是根端口

去掉堵塞的接口之后的图是：（这样就是星型的了）

在这里插入图片描述
三、生成树的导致的问题
广播风暴
MAC地址表翻滚 ---在一台交换机上，同一个MAC地址只能映射唯一的接口；但同一个接口可以映射多个不同的MAC地址；
同一数据帧的重复拷贝
以上3个条件最终导致设备工作过载，导致重启保护
生成树：在一个二层交换网络中，生成一棵树型结构，逻辑的阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径；当最佳路径故障时，自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用；生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星型结构，且最短路径树；

存在算法：  802.1D      PVST PVST+(CISCO)      RSTP(802.1w)      MSTP(802.1S)

四、生成树的要求
生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星型结构，且最短路径树；在这里插入图片描述

如上图所示：如果这样去堵塞接口，最后就是直线型。不符合要求在这里插入图片描述

如上图所示：如果这样去堵塞接口最后结果就是星型。
注：矩形是交换机，最上面的交换是根网桥

五、生成树的类型（五种）
5.1   802.1D（标准生成树）   算法 一个交换网络内仅存在一棵生成树实例；
注意：一个交换网络内仅存在一棵生成树实例；
角色：根网桥 ，根端口，指定端口，非指定端口
状态：down ， 侦听 ， 学习 ，转发
down ：所有接口通电后进入下一状态
侦听：交换机收发BPDU，选出所有角色；根端口、指定端口15s后进入学习状态；非指定端口进入阻塞
学习：学习终端设备发出数据帧中的源mac地址，生成交换机的MAC表（CAM表）；15s后进入转发状态
转发：根端口、指定端口可以开始转发终端的数据帧
阻塞：逻辑阻塞

802.1D的收敛时间：

1、初次收敛 30s 15s侦听+15s学习
2、结构变化
1）存在直连检测 –本地仅存在一个阻塞端口可以接收到来自根网桥的BPDU；需要30s收敛
2）无直连检测 — 20s hold time等待+30s收敛=50s
802.1D算法的缺点：

1、收敛速度慢
2、链路利用率低 – 备份链路正常不转发数据
注：在实际工程中，STP只要正常运算就会生成一个无环的网络结构；但角色位置不好，可能导致网络效率低下；至少应该保障根网桥的位置处于 三层架构中的汇聚层； 在交换机连接AP时，应该保障AP所在接口不被其他物理接口阻塞；
cost值：不同带宽 存在不同cost
802.1d标准： 802.1T标准
10M = 100 1000M= 20000
100M=19 100M=200000
1000M=4
10000M=2
大于100000M=1

[SWA]stp pathcost-standard ? 默认华为使用802.1t标准
dot1d-1998 IEEE 802.1D-1998
dot1t IEEE 802.1T
legacy Legacy

802.1D配置命令：

[sw1]stp mode stp   / /修改为802.1d算法，当下华为默认为MSTP；
[sw1]stp priority 4096    / /修改网桥优先级

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ?     / /修改接口cost值
INTEGER<1-200000000> Port path cost

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ?     / /修改接口优先级
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

5.2   PVST 基于VLAN的生成树协议 依然沿用了802.1D的运算规则；
区别在于，一个VLAN中存在一棵树；

PVST cisco私有 基于vlan的生成树协议
在每个vlan内，存在一棵树，每棵树的工作原理同802.1d一致；不同vlan的BPDU区别在于网桥优先级；
优先级=4096倍数+vlan id 人为仅可修改4096倍数备份，且只能修改为4096的整倍
仅支持 trunk干道封装为ISL（cisco私有封装）
可以将不同vlan的根网桥放置于不同的汇聚层设备，实现在不同vlan 中阻塞不同的链路；
最终所有链路均被利用，互为备份，提高链路的利用率；
（换句话说，一棵树堵塞的部分给另一个棵树用，这样就提高了链路的利用率）

优点：分流，使用所有物理链路----提高利用率

缺点：

1.收敛慢
2.树多 cisco 设备中存在一块独立的stp专用芯片（硬件解决）
3.纯私有协议—近支持isl -------（Cisco专用的trunk上封装vlan id 的标准 ，另外一个标准802.1q）
5.3   PVST + 在PVST的基础，兼容802.1q的trunk封装；且设计了部分的加速；
端口加速（接入层连接用户的接口）
上行链路加速-针对直连检测，在满足直连检测条件的接口上，直接进入转发状态，省30s
（只有接入层设备方可配置；自动调大本地网桥优先级和接口cost；非根网桥）
骨干加速—针对次优BPDU 剩去20s的hold time 所有交换机均可配置

优点：利用率（一个vlan一棵树） 部分加速 兼容802.1q

缺点：

1、收敛慢（加速不彻底）
2、树多（仅cisco存在单独的芯片，友商无法负荷）
5.4   快速生成树 （RSTP：802.1W）
cisco的RSTP — 基于vlan的快速生成树 - 一个vlan一棵树 pvst+的升级 树多

公有RSTP（802.1w） — 整个交换网络一棵树 802.1d的升级 一棵树

快速的原理：

1、取消了计时器，而是在一个状态工作完成后，直接进入下一状态；
2、分段式同步，两台设备间逐级收敛；使用请求和同意标记；依赖标记位的第1和第6位
3、BPDU的保活为6s；hello time 2s；
4、将端口加速（边缘接口）、上行链路加速、骨干加速集成了
5、兼容802.1d和PVST，但802.1d和PVST没有使用标记位中的第1-6位，故不能快速收敛；因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛，那么其他开启快速收敛的设备也不能快速；
当tcn消息出现时，不需要等待根网桥的BPDU，就可以刷新本地的cam表；

切记:接口默认为半双工时，即便运行RSTP，依然基于慢速的802.1D算法来收敛；

生成树配置命令

[sw1]stp mode rstp   / /快速生成树
/ /边缘接口—用于连接PC的接口，一旦被设定为边缘接口；将不再进行BPDU的发送，且不进行STP的收敛，直接为转发状态； 但若该接口收到了对端的BPDU，将失去边缘特性，重新正常收敛；
[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable  / /边缘接口

[sw1]stp priority ? / / 修改网桥优先级
INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

[sw1]stp root ?    / /快速定义根网桥角色 （primary 主要根，优先级减去两个4096。Secondary 备份根 减去一个4096 ）
primary Primary root switch
secondary Secondary root switch

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ?   / /修改接口优先级
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ?    / /修改接口cost
INTEGER<1-200000000> Port path cost

5.5   MSTP/MST/802.1S 华为设备默认使用该协议
继承了快速生成树的基础； 将多个vlan放置于一个组内，基于每个组一棵生成树；
不同组间的BPDU中优先级= 4096倍数+组号

配置命令

[r1]stp mode mstp
默认存在组0，且所有vlan默认处于该组；优先级= 32768+0
分组
[sw1]stp enable
[sw1]stp region-configuration
[sw1-mst-region]region-name a  / /所有设备应在一个域内
[sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5   / /创建组1放 vlan1到5
[sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10
[sw1-mst-region]active region-configuration  / /激活当前配置（必须配置该指令）

/ /切记：若将创建某个组，但该组内的vlan，在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口；该组将没有任何信息；整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致；即以上配置在交换网络中的所有设备要一模一样
定义本地为组1 的主根，组2 的备份根

stp instance 1 root primary   / /优先级修改为0
stp instance 2 root secondary    / /优先级修改为4096

[sw1]stp instance 1 priority ?
INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

[sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 cost ?
INTEGER<1-200000000> Port path cost

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 port priority ?
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

 六、快速生成树和生成树的区别
1.收敛机制：PA机制
2.端口状态：3个
3.端口角色：4
4.支持边缘端口（但默认不启用的）
5.自动集成上行链路加速（节约30s）
6.自动集成骨干链路加速 （节约50s）
7.在802.1W中所有的交换机都有发送BPDU的能力，BPDU超时时间为6s

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