文章目錄
STP介紹
STP(Spanning Tree Protocol，生成樹協議)是用於消除環形網絡的廣播風暴(數據包在網絡中不斷循環轉圈)和MAC地址表不穩定(MAC地址表不斷更改學習到的MAC地址條目)問題，從而實現既能解決環路問題，也能形成備份；STP是IEEE 802.1D標準；
STP相關術語
STP協議中涉及了很多術語，例如：根橋、根橋ID、橋ID、路徑開銷、端口ID、根端口、指定端口、阻塞端口等；
- 根橋：整個生成樹的根，全網只有一個根橋(根交換機)，便於後續相關角色的選舉；
- 根橋ID/橋ID(RID/BID)：由優先級與MAC地址兩部分組成，優先級範圍爲0-61440，優先級默認爲32768，MAC地址爲交換機面板的MAC地址，而非端口上的MAC地址；
- 端口ID(PID)：由端口優先級與端口編號兩部分組成，優先級範圍爲0-255，默認爲100；
- 路徑開銷：端口參數，端口到達根橋的開銷，根橋的端口開銷爲0；
- 根端口：負責向根橋發送報文或接受根橋發送的報文，每個交換機只有一個根端口；
- 指定端口：負責發送根橋報文，每一個端口到端口的鏈路都會選出一個指定端口；
- 阻塞端口：除根端口和指定端口以外的所有端口；
STP端口狀態：
| 端口狀態 | 說明 |
|---|---|
| Disabled | 不接收不轉發BPDU報文，不進行MAC地址學習，不轉發用戶流量 |
| Blacking | 只接收BPDU報文，不進行MAC地址學習，不轉發用戶流量 |
| Listening | 接收並轉發BPDU報文，不進行MAC地址學習，不轉發用戶流量 |
| Learning | 接收並轉發BPDU報文，進行MAC地址學習，不轉發用戶流量 |
| Forwarding | 接收並轉發BPDU報文，進行MAC地址學習，轉發用戶流量 |
注:指定端口和根端口選舉後，需要兩倍轉發延遲後才能到轉發狀態;
注：Hello Time(Hello定時器)：STP設備發送配置BPDU報文的時間間隔，缺省爲2s，TCN BPDU不受該定時器控制；
Forwarding Delay(轉發延遲)：STP設備在listening和Learning端口狀態各自停留的時間，缺省爲15s，用於防止交換網絡在不同狀態間頻繁切換(例如：在一個時間間隔內頻繁的增減設備，使得端口角色不斷髮生變化，端口狀態也不斷髮生變化；存在轉發延遲後，就不會頻繁的從Forwarding狀態到Blocking，再到Forwarding狀態)；
Max Age(最大生存時間)：端口的BPDU的老化時間，缺省爲20s，收到BPDU報文後，會比較**Message Age(消息生存時間)**和Max Age，如果Message Age小於或等於 Max Age，就非根橋設備繼續轉發，如果Message Age大於 Max Age，就丟棄該報文；
配置BPDU每經過一個橋設備，Message Age數值就會增加1；
STP比較原則
根橋選舉是比較橋ID，根端口和指定端口是按照下述的比較方式比較的；
- 比較根橋ID(RBID)，數值越小越優；
- 如果RBID相同，就比較到達根橋的路徑開銷(Cost)，數值越小越優；
- 如果路徑開銷相同，就比較發送方的橋ID(中繼BID)，數值越小越優；
- 如果發送方BID相同，就比較發送方的端口ID(PID)，數值越小越優；
- 如果發送方的PID相同，就比較接收方的PID，數值越小越優；(適用於RSTP和MSTP)
STP BPDU報文格式
BPDU報文分爲配置BPDU和TCN BPDU；
配置BPDU是用於計算和維護生成樹的報文，是初始階段中各交換機發送的BPDU；
TCN BPDU是用於生成樹拓撲發生變化的報文，下游設備通過該報文通知上游設備拓撲結構發生了變化；
配置BPDU報文格式：
| 報文字段 | 說明 |
|---|---|
| Protocol ID | 協議ID字段，數值爲0； |
| Protocol Version | 協議版本字段，數值“0”表示STP，數值“2”表示RSTP，數值爲“3”表示MSTP； |
| Message Type | 消息類型字段，標識BPDU報文類型，“0x00”表示配置BPDU，“0x02”表示RST BPDU或MST BPDU，“0x08”表示TCN BPDU； |
| Flags | 標識字段，用於表示字段發生了變化，TC爲置1表示通知下游設備刪除發生變化的MAC地址，TCA位置1表示已確認拓撲發生了變化； |
| Root ID | 根橋ID字段，標識當前根橋設備的RID； |
| Root Path COST | 根路徑開銷字段，標識發送給BPDU報文的端口累計到跟根橋的開銷； |
| Bridge ID | 橋ID字段，標識發送BPDU報文的BID； |
| Port ID | 端口ID字段，標識發送該報文端口的PID，即“發送者端口ID” |
| Message Age | 消息生存時間字段，標識該BPDU已存在的時間，從根橋接收報文，數值爲“0”；實際實現時，配置BPDU每經過一個橋設備，Message Age就會增加1； |
| Max Age | 最大生存時間字段，標識報文的最大生存時間，缺省爲20s，即老化時間；* |
| Hello Time | 發送時間間隔字段，標識配置BPDU發送的時間間隔，缺省爲2s； |
| Forwarding Delay | 轉發延遲字段，控制listening和learning的持續狀態，缺省爲15s; |
TCN BPDU報文格式：
TCN BPDU報文格式很簡單隻有上述報文的前三段：協議ID、協議版本和信息類型；
STP工作原理
STP的角色選舉都遵循STP比較原則。整個STP可以分爲初始階段角色選舉和拓撲變化后角色選舉。
STP初始化角色選舉過程
- 初始狀態(未標記爲默認值)，網絡沒有根橋；
- 網絡中的所有交換機都認爲自己是根橋，開始發送配置BPDU報文，Switch1與Switch2會收到交互BPDU報文，發現Switch1的BID數值更小，優先級更大，認爲Switch1爲根橋，Switch1與Switch3比較的時候，Switch1的BID優先級更大，Switch1爲根橋；
注：STP中只有根橋設備纔會發送配置BPDU，RSTP和MSTP的所有STP設備都會發送配置BPDU報文； - 根橋設備選舉出來之後，每個非根橋設備要選舉出一個根端口；Switch2有兩個端口，比較兩個端口收到的配置BPDU報文(RID相同，G0/0/1的Cost路徑開銷小於G0/0/2[角色選舉的比較原則])，發現Switch2的G0/0/1爲根端口，同理Switch3的G0/0/2爲根端口；
- STP設備選舉出根端口後，開始爲每條端到端鏈路選舉一個指定端口；Switch1與Switch2鏈路兩端端口通過角色選舉的比較原則(RID相同，Switch1的COST更小)，發現Switch1的G0/0/1爲指定端口，同理Switch1與Switch2之間Switch1的G0/0/2爲指定端口；
- Switch2與Switch3兩路兩端通過角色選舉比較原則(RID相同，COST開銷相同，Switch2的中繼BID更小)，發現Switch2的G0/0/2爲指定端口，其他非根端口和非指定端口的爲阻塞端口(Switch3的g0/0/1爲阻塞端口)；
注：生成樹拓撲結構穩定後，根橋設備會按照Hello Time週期性發送配置BPDU報文；
STP拓撲變化角色選舉過程
生成樹拓撲結構發生變化後，下游設備就會向上遊設備發送TCN BPDU報文，告知上游設備拓撲發送了變化。下游設備會不斷髮送TCN BPDU報文，只有指定端口接收到該報文才會處理；
拓撲變化后角色選舉過程(MAC地址表項重新學習)：
- 當下遊設備發生拓撲變化時，下游設備會不斷向上遊設備發送TCN BPDU報文，上游設備的指定端口收到TCN BPDU報文後，會向下遊設備回覆配置BPDU報文(Flags字段TCA置爲1)，告知下游設備已知道拓撲發生變化，並且設備會複製TCN BPDU報文，然後發送給上游設備，如此往復，直至發送將TCN BPDU報文發送給根橋設備；
- 根橋設備收到TCN BPDU報文，根橋設備會向下遊設備回覆配置BPDU報文(flags字段TC置爲1)，要求下游設備直接刪除發生故障端口或發生變化端口的MAC地址表項(刪除接收到TCN BPDU報文的指定端口的MAC地址表項)，進而達到快速收斂的目的；
注：TCN BPDU報文是用於告知上游設備，生成樹拓撲結構發生了變化；
Flags字段的TCA置爲1的配置BPDU報文，是上游設備用來告知下游設備已經知道拓撲結構發生了變化；
Flags字段的TC置爲1的配置BPDU報文，是根橋設備用來告知下游設備拓撲發生變化，要求下游設備刪除發生故障端口或發生變化變化端口的MAC地址表項(刪除接收到TCN BPDU報文的指定端口的MAC地址表項)；
RSTP介紹
RSTP(Rapid STP，快速生成樹協議)是STP的升級版本，用於解決STP收斂速度慢(Listening和Learning有轉發延遲、只有根橋纔會發送配置BPDU報文)、端口狀態和端口角色劃分不合理(某些端口狀態功能類似，端口角色與端口狀態關聯性不強)等問題；RSTP是IEEE 802.1w標準；
RSTP端口角色
RSTP將端口角色更加細化，將阻塞端口劃分爲Alternate(替代)端口和Backup(備份)端口，新加了Edge(邊緣)端口；
| 端口角色 | 解釋說明 |
|---|---|
| 根端口 | 每個非根橋設備都會有一個；用於接收配置BPDU報文； |
| 指定端口 | 每條端到端鏈路都會有一個；用於發送配置BPDU報文； |
| 替代端口 | 用於無延時進入轉發狀態代替根端口，是對根端口的備份，相當於多了一條接收配置BPDU報文的路徑； |
| 備份端口 | 用於無延時進入轉發狀態代替指定端口，是對指定端口的備份，相當於多了一條發送配置BPDU報文的路徑； |
| 邊緣端口 | 用於主機與STP設備相連的端口；不參與RSTP計算，直接是轉發狀態；防止主機頻繁切換(斷開或連接)造成網絡拓撲震盪； |
RSTP端口狀態
RSTP將STP中某些功能相似的狀態合併，使其STP的五個狀態合併爲RSTP的三個狀態，提高了RSTP的收斂速度(狀態少了，切換時間也會相應變短)；
| 端口角色 | 角色說明 |
|---|---|
| Discarding | 不進行MAC地址學習，不轉發數據流量 |
| Learning | 進行MAC地址學習，不轉發數據流量 |
| Forwarding | 進行MAC地址學習，轉發數據流量 |
RSTP BPDU報文變化
RSTP的RST BPDU報文基本與STP的配置BPDU報文相似，較爲不同的是Flags字段。
RSTP將Flags字段中沒有用上的位數統統利用了起來；
| 報文字段 | 解釋說明 |
|---|---|
| TCA | 用於告知設備已知道拓撲結構發生了變化； |
| Agreement | P/A(提議/確認)機制中的確認快速收斂，Agreement報文； |
| Forwarding | 發送報文的端口處於轉發狀態； |
| Learning | 發送報文的端口處於學習狀態； |
| Port Role | 端口角色，“00”爲端口角色未知；“01”爲替代端口或備份端口；“10”爲根端口；“11”爲指定端口； |
| Proposal | P/A機制中發起快速收斂的提議報文，Proposal報文； |
| TC | 根橋告知下游設備拓撲發生變化並要求刪除相應的MAC地址表項； |
常見的Flags數值(僅供瞭解)：
- 2c即0010 1100，表示發送BPDU報文的端口爲轉發狀態，端口角色爲指定端口；
- 0e即0000 1110，表示有指定端口發送的Proposal報文；
- 6c即0110 1100，表示發送Agreement報文的端口爲轉發狀態,端口角色爲指定端口；
- 2d即0010 1010，表示發送Proposal報文的端口爲轉發狀態，端口角色爲根端口；
RSTP拓撲變化角色選舉過程
RSTP取消了TCN BPDU報文，採用更加快捷的方式到達拓撲變化後快速收斂的目的；
RSTP雖然沒有TCN BPDU報文，在與STP兼容模式中仍然能夠發送和接收TCN BPDU報文(此時RSTP和STP的工作原理爲STP)，當STP設備完全脫離後，RSTP設備會自動切換爲RSTP工作原理，開始快速收斂；
拓撲變化后角色選舉的工作過程(MAC地址表項重新學習)：
- 當RSTP檢測到拓撲結構發生變化(非邊緣端口切換到轉發狀態)，本設備就會啓動TC While定時器(數值爲Hello Time定時器的兩倍)，在該定時器內，清空發生變化的端口上學習到的MAC地址表項，並由這些發生變化的端口發送**RST BPDU報文(Flags字段的TC置爲1)**給其他RSTP設備，TC while超時就停止發送；
- 其他RSTP設備的指定端口收到RST BPDU報文(Flags字段的TC置爲1)後，清空所有端口學習到的MAC地址表項，除了接收RST BPDU報文的端口，併爲所有非邊緣端口啓動TC While定時器，重複上述過程直至所有RSTP設備都進行MAC地址表重新學習，提高了收斂速度；
注：接收到RST BPDU報文(Flags字段的TC置爲1)的端口，不會再從該端口發送RST BPDU報文(Flags字段的TC置爲1)；
處理BPDU報文的變化(相較於STP)
- 每臺RSTP的設備指定端口都可以發送配置BPDU報文；
- 如果一個端口連續3倍hello定時器內沒有收到上游發送的RST BPDU報文，就認爲鄰居之間協商失敗；
P/A快速收斂機制
Proposal/Agreement機制是爲了實現快速收斂，減少端口狀態切換的時間；P/A是在點到點鏈路裏；
P/A的端口變量協商過程：
- Proposing(請求提議)：當一個設備的指定端口處於discarding或learning狀態時，端口的proposal變量置位，並向下遊設備發送RST BPDU報文(Flags字段的Proposal置爲1)，用於請求快速切換到轉發狀態；
- Proposed(請求採納)：當下遊設備的根端口收到上述RST BPDU報文(Flags字段的Proposal置爲1)，接收報文的端口proposed變量置位，表示本鏈路的指定端口希望儘快進入轉發狀態；
- Sync(同步請求)：當根端口proposed變量置位，本設備的其他端口都要將sync變量置位，使得非邊緣端口都進入discarding狀態(阻塞其他非邊緣端口)，準備重新同步；
- Synced(同步完成)：當非邊緣端口處於discarding狀態，其他端口都將synced變量置位，根端口監測到所有非邊緣端口都將synced置位後，也會將自己的synced變量置位，然後向上根端口所連接的鏈路發送RST BPDU(flags字段的Agreement置爲1)；
- Agreed(提議確認)：上游設備收到RST BPDU(flags字段的Agreement置爲1)後，會將接收到該報文的端口agreed變量置位，並立即進入Forwarding轉發狀態；
按照上述步驟，依次將非邊緣端口(處於discarding狀態)快速切換到Forwarding狀態，直至整個RSTP網絡都調整完畢；
MSTP介紹
MSTP(Multiple STP，多生成樹協議)是可以實現快速收斂，又能使不同VLAN的流量按照不同的路徑轉發，從而爲冗餘鏈路提供更好的負載分擔機制；每一個區域叫做MST域(多生成樹域)，每個域中包含的多顆生成樹叫MSTI(多生成樹實例)，每一顆生成樹採用RSTP算法生成；
注：MSTP僅需瞭解基本概念，以及同一MST域下不同MSTI配置。BPDU報文也只需要瞭解即可
MSTP相關術語
- VLAN映射表(MSTP)：描述VLAN與MST域中對應的MSTI之間的映射關係；一個MSTI可以對應多個VLAN，一個VLAN只能對應一個MSTI；
- IST(Internal Spanning Tree，內部生成樹)：每個MST區域只會生成一個IST生成樹，MST區域內的所有設備都屬於該IST；IST對應的實例號爲0(MSTI ID爲0)；
- CST(Common Spanning Tree，公共生成樹)：是計算整個MSTP網絡的生成樹，但是將IST這個整體作爲生成樹的一個節點，即每個MSTP網絡只有一個CST，每個MST域的IST是整個MSTP網絡的CST生成樹的節點；
- CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和內部生成樹)：是通過STP或RSTP協議計算生成的，連接整個MSTP網絡的所有交換機生成的單生成樹，是由IST和CST共同組成的，即CIST是計算MSTP網絡的所有交換機組成的(CIST的生成樹節點爲單個交換機)，CST是計算MSTP網絡所有IST組成的(CST的生成樹節點爲IST)；
- SST(Single Spanning Tree，單生成樹)：運行STP或RSTP的生成樹；MST域中只有一個交換機；
- 總根：CIST的根橋(一個MSTP網絡只有一個根橋)；
- 域根：IST域根(IST的根橋，MST區域的根橋，一個MST域對應一個根橋)和MSTI域根(MST域中多生成樹實例的根橋，一個實例對應一個MSTI域根)；
MSTP端口角色
MSTP協議相對於RSTP協議多了Master(主)端口和域邊緣端口；
| 端口角色 | 解釋說明 |
|---|---|
| 根端口 | 每個非根橋設備都會有一個；用於接收配置BPDU報文； |
| 指定端口 | 每條端到端鏈路都會有一個；用於發送配置BPDU報文； |
| 替代端口 | 用於無延時進入轉發狀態代替根端口，是對根端口的備份，相當於多了一條接收配置BPDU報文的路徑； |
| 備份端口 | 用於無延時進入轉發狀態代替指定端口，是對指定端口的備份，相當於多了一條發送配置BPDU報文的路徑； |
| 邊緣端口 | 用於主機與STP設備相連的端口；不參與RSTP計算，直接是轉發狀態；防止主機頻繁切換(斷開或連接)造成網絡拓撲震盪； |
| 主端口 | MST域和總根之間最短路徑的端口，MST域內的報文去往總根都需要經過該端口；主端口是特殊的域邊緣端口，也是CST/CIST的根端口； |
| 域邊緣端口 | 位於MST域邊緣且與其他MST域或SST相連的端口；域邊緣端口的角色在MSTI和CIST上保持一致，即該端口在CIST裏是Master端口，則該端口在所有MSTI內都是Master端口； |
CIST角色比較原則
- 比較總根橋ID，數值越小越優；
- 如果總根橋ID相同，就比較到達總根橋的外部路徑開銷(ERPC)，數值越小越優；
注：外部開銷是計算MST域外主端口到總根的開銷(MST域內部設備到達域根橋的開銷不計算)；內部路徑開銷是計算MST域內非域根橋到達域根橋的開銷；- 如果外部路徑開銷相同，就比較域根橋ID(RBID)，數值越小越優；
- 如果RBID相同，就比較到達根橋的內部路徑開銷(IRPC)，數值越小越優；
- 如果路徑開銷相同，就比較發送方的橋ID(中繼BID)，數值越小越優；
- 如果發送方BID相同，就比較發送方的端口ID(PID)，數值越小越優；
- 如果發送方的PID相同，就比較接收方的PID，數值越小越優；(適用於RSTP和MSTP)
CIST計算原理
首先在經過配置BPDU報文比較後，在整個MSTP網絡中選舉出BID數值最小的交換機作爲CIST的總根，然後在MST域內通過MSTP算法計算出IST的所有端口角色，同時MSTP網絡將每個MST域作爲單獨的節點通過STP或RSTP算法計算出CST，最終CST和IST組合成整個MSPT網絡的CIST；
MSTI計算原理
每個MSTI當做單獨RST或STP計算出生成樹；
MSTP BPDU報文結構
| 報文字段 | 字節/Bytes | 解釋說明 |
|---|---|---|
| Version1 length=0 | 1 | Version1的BPDU報文長度，固定爲0； |
| Version3 length | 1 | Version3的BPDU報文長度； |
| MST configuration Identifier | 51 | MST域配置標識符字段，表示MST域的標籤；只有配置相同的MST標識符纔會處於同一個MST域；下列有該字段的詳細內容； |
| CIST interval Root Path Cost | 4 | CIST內部路徑開銷字段，標識發送配置BPDU報文的端口到達根橋(Master端口)的累積路徑開銷； |
| CIST Bridge ID | 8 | CIST橋ID字段，標識CIST的指定橋ID，相當於BridgeID字段； |
| CIST Remaining Hops | 1 | CIST保持跳數字段，BPDU報文在CIST的剩餘字段(每經過一個橋設備數值減一)； |
| MSTI Configuration Message | 16 | MSTI配置信息字段，每個MSTI的詳細信息，用於告知總根該MST域中配置的所有MSTI詳細信息；可以包含多個MSTI，下列有該字段的詳細內容； |
| 報文字段 | 解釋說明 |
|---|---|
| Configuration ID Format Selector | 配置標識符格式選擇器，固定爲0； |
| Configuration Name | MST域名，每個MST域有唯一的域名； |
| Revision Level | MST配置修訂級別； |
| Configuration Digest | 配置摘要，利用HMAC-MD5算法將VLAN與實例的映射關係加密爲16字節的摘要； |
| 報文字段 | 解釋說明 |
|---|---|
| MSTI Flags | MSTI標識字段，與上面Flags字段一樣； |
| MSTI Regional Root Identifier | MSTI域根橋ID字段，表示實例中根橋的ID； |
| MSTI Interval Root Path Cost | MSTI內部路徑開銷字段，表示發送BPDU報文的端口到實例根橋積累的路徑開銷； |
| MSTI Bridge Priority | MSTI橋優先級，表示本設備的橋優先級； |
| MSTI Port Priority | MSTI端口優先級，表示本設備的端口優先級； |
| MSTI Remaining Hops | BPDU在MSTI中的剩餘跳數； |