生成树协议STP.docx
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生成树协议STP
一．STP（SpanningTreeProtocol）（IEEE802.1D）生成树协议
1.在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障，所谓单点失效，指的是由于网络中某一台设备的故障，而影响整个网络的通信。
为了避免单点失效，提高网络的可靠性，可以通过构建一个冗余拓扑来解决。
但是，一个冗余的拓扑，又会给我们的网络造成环路，而产生其它的影响。
为了解决二层环路问题，而设计了SPT协议。
2.当2个Segment之间，只有一个物理设备连接时，就有可能“单点失效”。
3.Segment:
（段的概念）
a.STP：
一段网络介质（网线/光纤）。
b.数据封装：
携带4层报头的用户数据。
c.路由：
一个逻辑子网。
4.避免单点失效的方法就是构造冗余网络。
5.但冗余网络会导致新的问题：
a.多帧复制
b.MAC地址表的翻动
c.广播风暴
6.STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
STP通过判断网络中存在环路的地方，并阻断冗余链路来实现无环网络。
7.STP采用STA（SpanningTreeArithmetic）算法。
STA会在冗余链路中选择一个参考点（生成树的根），将选择到达要的单条路径，同时阻断其他冗余路径。
一旦已选路径失效，将启用其他路径。
二．BPDU（BridgeProtocolDataUnit）
1.STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的，BPDU是直接封装在以太网帧中的。
2.对于参与STP的所有SW，它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息，这种消息就被称为BPDU。
3.BPDU是直接封装在二层的协议，其MAC地址最后封装数为：
00。
（01:
80:
c2:
00:
00:
00）
4.BPDU的功能：
a.选举根桥
b.确定冗余路径的位置
c.通过阻塞特定端口来避免环路
d.通告网络的拓扑变更
e.监控生成树的状态
5.BPDU每2S由根桥发送一次。
最初的网络，每个SW都认为自己是根桥，都会发送BPDU，比较LowestBID，选举出一个根桥，当根桥选出来以后。
此时就只有根桥发送BPDU到每个非根桥的根端口上。
非根桥的根端口只进行转发。
6.BPDU分两种类型：
a.配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出，包括了STP参数，用于进行各种选举。
b.TCN（topologychangenotification拓扑变更通告）BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。
7.配置BPDU包含以下的字段
a.ProtocolID:
固定为0
b.Version:
802.1D（0）
c.MessageType:
（ConfigBPDU=0x00/TCNBPDU=0x80）
d.Flags
e.RootID:
根桥的桥ID
f.CostofPath
g.BridgeID
h.PortID
i.Messageage
j.Maxage
k.Hellotime
l.Forwarddelay
8.TCN（TopologyChangeNotification）BPDU
这种BPDU是交换机检测到拓扑变更时产生的。
只包含下列三个字段
a.ProtocolID
b.Version
c.MessageType:
（ConfigBPDU=0x00/TCNBPDU=0x80）
三．STP的4大工作流程（STP里选举参数都是越小越优）
Onerootbridgepernetwork
Onerootportpernonrootbridge
Onedesignatedportpersegment
Nondesignatedportsareblocked
1.Onerootbridgepernetwork（每个网络只有一个根桥）
a.根桥的选举：
LowestBID（最小的BID）
b.STP为每台SW分配唯一的一个标识符，称为BID（BridgeID）。
BID的组成：
2（BridgePriority优先级）＋6（MAC）＝8Bytes
默认Priority：
32768（0x8000）
2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号，因为CISCO默认启用PVST
c.每个交换机都有一个基准的MAC地址，用下面的命令可以看到
Sw2#showversion
BaseethernetMACAddress:
00:
0D:
28:
61:
35:
00
交换机的每一个端口都有一个MAC地址，就是以Base（基准）MAC地址加上端口号得到的。
Showinterfacef0/1这一命令可以看到交换机端口的MAC地址
d.查看STP信息--
Sw2#showspanning-tree
Sw3#showspanning-treebrief（低版本用）2900以下的交换机用这一命令
e.PVST（PerVlanStp）
CiscoSW默认为每个VLAN生成一个STP，互不影响。
由于是为不同的VLAN生成不同的生成树。
所以每一台交换机需要为不同的VLAN生成一个不同的桥优先级，所以在CISCO交换机上，交换机在每一个VLAN中的优先级是默认的32768再加上VLAN的号码。
f.可通过以下命令指定一台交换要为根桥：
Sw1（config）#spanning-treevlan1-10rootprimary（24576=0x6000）（建立优先级，成为根桥）
Sw2（config）#spanning-treevlan1-10rootsecondary（28672=0x7000）（备份根桥，防止优先级根桥showdown了）
Sw1（config）#spanning-treevlan1-10priority4096（设置必须是4096的倍数）
2.Onerootportpernonrootbridge（每个非根桥都要选出一个根端口）
a.根端口（RP）：
每个非根桥有且只有一个根端口
b.选举RP/DP的方法：
（a）.LowestRID（最小的RID）是SW1（根桥）的BID是在网络中没有选出根桥的时候用的
（b）.Lowestpathcosttorootbridge（到达根的最小路径开销）交换机上所有接口自己收到的bpdu中包含的路径开销值
（c）.lowestsenderBID（最小的发送BID）交换机上的接口收到的bpdu中包含的桥ID最小的
（d）.LowestsenderportID当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选
c.PathCost:
根桥发出的COST值是0，在下一交换机的入口处才加上COST值，出口处COST值不变。
10Mbps：
100/ 100Mbps：
19/ 1Gbps：
4/ 10Gbps：
2
Sw1#showinterfacesstatus
Sw1#showspanning-tree
d.Sw1（config-if）#spanning-tree（vlan1）cost22每个VLAN都能生成一个自已的生成树，通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根端口，产生不同的生成树，充分利用了链路
Sw1（config-if）#spanning-treecost22修改所有Vlan的Cost值
e.PortID是由优先级+端口号组成
修改端口优先级：
默认情况下是128
Sw1（config-if）#spanning-treeport-priority16注意：
必须是16的倍数才行
3.Onedesignatedportpersegment（每个Segment只有一个指定端口）
a.选举RP/DP的方法：
（a）.LowestRID（最小的RID）是SW1（根桥）的BID
（b）.Lowestpathcosttorootbridge（到达根的最小路径开销）
（c）.lowestsenderBID（最小的发送BID）
（e）.LowestsenderportID
b.根桥的所有端口都是指定端口（DP）。
4.Nondesignatedportsareblocked（非指定端口将被堵塞）
最后，既不是根端口，又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口，这些端口将被block掉。
从而达到防环的目的。
四．生成树的收敛
当网络出现故障导致拓朴发生变化时，生成树要进行收敛，在收敛过程中，一个block接口变到forward状态时会经历以下四种状态变化。
生成树端口状态：
1、blocking--阻塞状态，不转发帧，监听流入的BPDU，不学习MAC地址
2、listening--监听状态，不转发帧，不学习MAC地址，能够决定端口角色
3、learning--学习状态，不转发帧，能学习MAC地址
4、forwarding--转发状态，能够进行正常的帧转发
当拓扑发生变化时，端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S
如果是直连接口down掉，端口状态过渡最大需要30S
如果是非直连故障，最大需要50S
五．二层MAC地址表的收敛
注意：
在网络拓朴发生改变后，不仅会有STP的收敛，还会导致二层MAC地址表的收敛。
1.当发生如下事件时，SW会发送TCN：
a.链路故障（FWD->BLK）
b.端口进入转发状态，并且SW已经拥有DP
c.非根桥从它的DP接收到TCN，并将其转发
2.MAC地址表的收敛过程如下：
a、拓扑发生改变的交换机向RP端口发出TCN的BPDU
b、上级交换机做两件事：
先回应一个TCA置位的BPDU，再继续向自已的RP接口发出TCN的BPDU
c、TCN的BPDU就这样一跳跳的传到根交换机上
d、然后根交换机将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为转发延迟时间（15S）。
e、根交换机再向网络中发出TC置位的BPDU
f、网络中的其他交换机收到TC置位的BPDU后，也将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为15S。
这样，每台交换机就快速的老化了MAC地址表，清除掉了已经失效的MAC地址条目。
六．BPDU Timer
1.三个计时器：
MessageAge：
最大存活时间（20S）
HelloTime:
根桥连续发送BPDU的间隔（2S）
ForwardTime:
SW在监听和学习状态所停留的时间（15S）
spanning-treevlan1-10hello-time3修改发送BPDU的时间间隔
spanning-treevlan1-10forward-time13修改forward时间
spanning-treevlan1-10max-age33修改最大存活时间
注意：
必须在根桥上修改，否则不起作用。
老化时间（blocking）（lossofBPDUdetected）maxage=20s
监听时间（listening）forwarddelay=15s
学习时间（learning）forwarddelay=15s
监听BPDU 学习MAC 帧转发
Blocking √ × ×
Listening √ × ×（选举Root/RP/DP）
Learning √ √ ×
Forwarding √ √ √
七．STP和802.1Q
1.CISCO交换机上，在采用802.1Q的Trunk中，SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
（PVST）
2.对于不支持802.1Q的SW，所有VLAN维护一个STP。
（SSTP）
3.在交换网络中，STP是始终运行的，如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。
4.PerVLANSpanningTree
优点：
1.基于Vlan的负载均衡；
缺点：
1.BPDU是基于Vlan的基础上运行的；
八．STP的一些增强特性
1.802.1DSTP设计初衷：
网络中断后能够在1分钟之内（Max=50S）恢复。
伴随着LAN出现3层交换，很多的路由协议（OSPF/EIGRP）都能在几秒之内收敛。
2.Cisco为加快收敛时间，提出了一些私有的优化特性来加速STP的收敛：
a、PortFast
b、UpLinkFast
c、BackboneFast
3.PortFast：
能够让2层的接入端口（接host）跳过LIS/LRN状态立即进入FWD。
30S->0S
基于接口，用于接非交换机接口，不要设置在接SW的端口。
Sw1#showspanning-tree
Type:
Edge[Shr/P2p]
测试：
把交换机的端口shutdown，再noshutdown,观察状态。
启用前和启有后是不一样的。
Sw1（config）#spanning-treeportfastdefault（所有接口启用）全局下用
一般用在接入层的交换机上。
Sw1（config-if）#spanning-treeportfast接口下单独启用
Sw1（config-if）#spanning-treeportfastdisable（某个口禁用，通常是连接另一台交换机的口）
4.UplinkFast：
在接入层SW上配置，用于检测直连到分布层SW的链路故障，并加速STP的收敛速度。
也可以在分布层交换机上配置，用于检测直连到核心层交换机的链路故障
30S->0S
Sw2（config）#spanning-treeuplinkfast
（Uplinkfast是一个全局命令，将影响SW上的所有VLAN）
Debugspanning-treeevents
测试：
将有效链路口shut，原来BLK口立即转发，
Uplinkfast将网桥PRI增加到49152，将端口Cost增加3000
使SW不能成为Root。
所以一般配置在接入层SW。
Sw2#showspanning-tree
........Uplinkfastenabled
Sw2#showspanning-treeuplinkfast可以看到哪些接口成为备份
Sw2（config）#spanning-treeuplinkfastmax-update-rate200
（每秒所发包的数目，默认值150）
5.BackboneFast：
BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。
用于检测主干SW间的链路故障。
（50S->30S）
要求BackboneFast应用在所有SW上。
当交换机检测到次级BPDU后，将使用替代路径发送RLQBPDU（根链路查询BPDU），RLQBPDU通过中间交换机向根交换机传播，并且根交换机将最终响应。
Sw1（config）#spanning-treebackbonefast
Sw1#showspanning-treebackbonefast可以查看RLQ消息和次级BPDU
如果看到Backbonefastisenable就说明做好了
九．RSTP（RapidSTP） 802.1w当前主流技术
1.RSTP的基本工作原理与STP相同，要经历四个工作流程，也有相同的四个选举规则。
2.当网络拓扑发生改变时，快速生成树协议能够明显地加快重新计算生成树的速度。
启用命令：
spanning-treemoderapid-pvst//理论一大把，命令就一条
3.RSTP的特点：
RSTP中，将接口的链路类型分为两种：
a.共享链路如果接口工作在半双工则是share类型的链路
b.点到点链路如查接口工作在全双工则是point-to-point类型的链路
注意：
仅仅只在点到点链路上RSTP才能实现快速收敛
4.RSTP中定义了3种端口状态：
Discarding/Learning/Forwarding
5.RSTP中的端口角色：
RP：
根端口
DP：
指定端口
AlternatePort：
替代端口
BackupPort：
备份端口
6.默认集成backbonefast
将portfast也集成了，改名为边缘端口，要手工加载，加载的方法都和portfast一样。
7.RSTP中BPDU的格式：
在Flag字段总共8bit，STP中只用到2bit，
RSTP用到其他6bit来完成端口状态和角色的编码。
Version:
2
MessageType:
2
8.在802.1D中，只有当SW从根端口收到BPDU时，非根桥才能转发BPDU。
在802.1w中，每个SW会每隔2S就发送一次包含当前信息的BPDU。
9.定义了Proposal和agreement消息用来做快速收敛
10.关于拓朴变更后MAC地址表的收敛过程：
注意：
在RSTP中，只有当非边缘端口进入转发状态的时候才会导致拓扑变更，才会产生TCBPDU，连接的丢失不会导致拓扑变更，也不会产生TCBPDU。
在RSTP中，每台交换机都可以下发TC置位的configBPDU，这样也实现了快速收敛，除非网络有老式设备，否则RSTP不需要使用TCNBPDU。
11.STP优缺点：
业内标准
优点：
交换机负载小
缺点：
收敛时间长、负载均衡
12.PVST优缺点：
cisco
优点：
负载均衡
缺点：
收敛时间长、交换机负载大
13.RSTP优缺点：
业内标准
优点：
收敛速度快、多个vlan公用一个生成树，交换机执行效率较高
缺点：
不能负载均衡
14.RPVST：
cisco
优点：
负载均衡、收敛速度快
缺点：
交换机负载大
十．MST（MultipleSpanningTree） 802.1s
1．CST（CommonSpanningTree）
缺点：
所有的Vlan都是按照同一个STP来工作的。
优点：
开销小。
2．PVST
优点：
可以为每个Vlan配置一个STP。
可以实现基于Vlan.L2的负载分担。
缺点：
SW维护很多的STP，开销大。
Vlan改变，波及大。
3．MST（对CST和PVST的折衷方案）
a.MST对vlan分组（Instance）
b.每个分组可以有独立的STP，实现L2负载分担。
spanning-treemodemst（启用MST）
spanning-treemstconfiguration
nameWOLF
revision10
instance1vlan1-5
instance2vlan6-10
spanning-treemst1priority4096修改本交换机在这一大堆VLAN中的优先级
intf0/5
spanning-treemst1cost19修改本接口在这一组中的开销
showspanning-treemst
showspanning-treemstconfiguration
showcurrent
showspending
有一个默认组0，没划分的VLAN就在这里面
MST不能和PVST共存，可以和RSTP共存
十一.优化STP
1.BPDU防护：
对于设置了PortFast接口，却收到了BPDU，如果设置了BPDU防护，就能将此接口关闭，而不会进入生成树状态。
spanning-treeportfastbpduguarddefault（全局开启）
intf0/1
spanning-treebpduguardenable（接口开启）
showspanning-treesummary[totals]
Showerrdisablerecovery显示可导致接口errdisable的选项
设置自动恢复：
errdisablerecoverycausebpduguard设置300S（默认）后自动修复bpduguard所导致的errdisable
errdisablerecoveryinterval30修改默认的修复时间
2.BPDU过滤：
不发也不收
通过使用BPDU过滤，能够防止在启用portfast的端口上向host发送不必要的BPDU。
注意：
如果在全局下配置，从端口收到BPDU的话，不会禁掉端口，会转为正常的STP状态。
如果在接口下配置，从端口收到BPDU的话，会丢弃。
如果在同一接口设置Guard/Filter, F优于G
BPDU过滤只是一种优化技术，在接口上配置BPDU过滤有可能导致桥接环路，所以不推荐使用。
spanning-treeportfastbpdufilterdefault（全局开启）
intf0/9
spanning-treebpdufilterenable（接口开启）
showspanning-treesummarytotals
3.根保护：
能够将接口强制设为DP，进而防止对端SW成为Root。
设置了根保护的端口如果收到了一个优于原BPDU的新的BPDU，它将把本端口设为blocking禁止状态，过一段时间，如果没再收到BPDU,它会恢复端口，这一点不同于BPDU的防护。
intf0/5
spanning-treeguardroot
测试：
将其他SW变成根桥，看原来根桥的现象：
showspanning-treeinconsistentports
Showspanning-treeinterfacef0/2detail
showspanning-tree
Fa0/2DesgBKN*19128.2P2p*ROOT_Inc
4.环路保护：
对于软件故障处理得更好
当STP中的BLK端口错误的过渡到FWD状态，有可能出现环路。
启用Loopguard的接口，如果原来的BPDU老化了，不会转到listening状态，而将自动转为inconsistent状态
在inconsistent状态下，会再根据对端交换机发过来的BPDU进行决定端口状态。
如果是出现了单向链路失效的现象，对端交换机是不会有BPDU过来的，所以接口将一直保持inconsistent。
默认情况下是禁用的。
spanning-treeloopguarddefault（全局）
intf0/9
spanning-treeguardloop（接口）
5.UDLD单向链路失效检测：
对于硬件故障处理得更好
单向链路失效是比较常见的现象，以太网线缆的收发出现问题。
当链路保持“UP”的时候，接口却没有流量收到。
UDLD是一种二层协议，它与第一层机制协同工作来确定链路的物理状态。
启用UDLD能使得这种接口自动进入“err-disable”状态。
启用了UDLD的交换机之间会互相发送UDLD协议包来保持联系，默认间隔15S
Sw1（config）#udldenable也可在接口下配
showudld
积极模式的UDLD--当端口停
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