快速生成树协议.docx

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快速生成树协议

生成树协议

1、STP（Spanning-TreeProtocol）

在上图所示的网络环境中，当交换机之间连有多条链路时，将存在一定的问题，如SW1的MAC地址表中会显示接口F0/1与主机A相对应，而当数据发往SW2后，SW2的MAC地址表则记录接口F0/23与主机A相对应，当SW2再次将流量从接口F0/24发回SW1时，SW1的MAC地址表又会记录接口F0/24与主机A相对应。

因此可以看出，当交换机之间存在多条活动链路时，交换机将从不正常的接口上学习到MAC地址，导致MAC地址表的不正确与不稳定，并且还会导致重复的数据包在网络中传递，引起广播风暴，使网络不稳定。

为了防止交换机之间由于多条活动链路而导致的网络故障，必须将多余的链路置于非活动状态，即不转发用户数据包，而只留下单条链路作为网络通信，当唯一的活动链路不能工作时，再启用非活动链路，从而达到网络的冗余性。

要实现此功能，需要依靠生成树协议（STP）来完成，STP将交换网络中任何两个点之间的多余链路置于Blocking（关闭）状态，而只留一条活动链路，当使用中的活动链路失效时，立即启用被Block的链路，以此来提供网络的冗余效果。

STP并非思科私有协议，STP为IEEE标准协议，并且有多个协议版本，版本与协议号的对应关系如下：

CommonSpanningTree（CST）=IEEE802.1D

RapidSpanningTreeProtocol（RSTP）=IEEE802.1w

Per-VLANSpanning-Treeplus（PVST+）=Per-VLANEEE802.1D

RapidPVST+=Per-VLANIEEE802.1w

MultipleSpanningTreeProtocol（MSTP）=IEEE802.1s

下面来详细介绍STP协议：

在如上所示的网络环境中，不难看出，当所有主机都使用单条链路与一台核心相连时，只要不再增加其它额外设备与链路，就不可能存在环路。

交换机就当相于Hub一样连接了多台主机，而这样的网络结构，被称为hub-spoke网络结构，只要主机与Hub是连通的，那么就表示主机之间是连通的。

基于此原因，STP借助了hub-spoke网络结构无环的网络思想，将一个拥有多台交换机通过多条链路相连的网络，通过Block掉任意两点之间多余的链路而只留下单条链路，最终修整出一个hub-spoke的网络环境，创造一个无环的交换网络。

在上图的交换网络中，由于存在多台交换机，并且交换机之间有多条冗余链路，因此，只要在网络中找一台交换机充当核心，也就是相当于hub-spoke网络中的Hub，而其它交换机则留出一条活动链路到核心交换机即可，其它链路全部被block，当留出的活动链路失效之后，再启用block链路作为备份。

上图中SW1被选作交换网络中的核心，而其它交换机则只留一条活动链路到核心交换机，只要其它交换机与核心交换机是通的，就证明交换机之间一定是通的。

图中红色的连路表示被留出的普通交换机到核心交换机的活动链路，蓝色链路表示被block掉的链路，只要红色链路是通的，就表示整个网络都是通的，当某条红色链路断掉以后，只要启用相应的蓝色链路代替即可，也就实现了网络的冗余功能。

通过上述的解释，STP要构建出无环的交换网络，就必须在网络中选出一台交换机做为核心交换机，STP称其为Root，也就是根，功能相当于hub-spoke网络中的Hub。

其它不是Root的交换机则需要留出一条活动链路去往根交换机，因为只要普通交换机到根是通的，到其它交换机也就是通的。

需要说明的是，只有在一个三层网络中，广播能够到达的范围内，才需要进行相同的STP计算与选举，也就是一个广播域内独立选举STP：

上图中，因为网络被路由器分割成两个广播域，所以在两个网段中，需要进行独立的STP计算与选举。

STP在计算与选举时，只会留下唯一一条活动链路，将其它所有多余链路全部block，所以STP要确定两点之间是否存在多条链路，因为只有两点之间有多条链路时，才有链路需要被block。

要确认两点之间网络是否通畅，只要发送数据作个测试即可得到答案，而要确认两点之间是否有多条链路，方法还是发送数据作个测试就能得到答案。

当然，要测试两点之间是否有多条链路，需要发送特殊的数据来做测试，比如给数据包都做上相同的标记，然后发出去，如果交换机同时从多个接口收到相同标记的数据包，很显然，交换机与发送者之间就是存在多条链路的，因此需要靠STP计算来断开多余链路。

STP在发送数据包测试网络是否有多条链路，是靠发送bridgeprotocoldataunits（BPDUs）来完成的，同台交换机发出去的BPDU都被做上了相同的标记，只要任何交换机从多个接口收到相同标记的BPDU，就表示网络中有冗余链路，因此需要STP断开多余链路。

BPDU数据包里面有以下信息：

根交换机的bridgeID。

发送交换机的bridgeID。

到根交换机的PathCost。

发送接口以及优先级。

Hello、forwarddelay、max-age时间。

同台交换机发出的BPDU，bridgeID都是一样的，因为是用来标识自己的，其中bridgeID由两部分组成：

Bridge优先级和MAC地址，默认优先级为32768。

交换机上的每个端口也是有优先级的，默认为128，范围为0-255。

注：

在STP协议中，所有优先级数字越小，表示优先级越高，数字越大，优先级越低。

STP在计算网络时，需要在网络中选举出根交换机（Root），根端口（RootPort），以及指定端口（DesignatedPort），才能保证网络的无环，选举规则分别如下：

根交换机（Root）

在同一个三层网络中需要选举，即一个广播域内要选举，并且一个网络中只能选举一台根交换机。

Birdge-ID中优先级最高（即数字最小）的为根交换机，优先级范围为0-65535，如果优先级相同，则MAC地址越小的为根交换机。

根端口（RootPort）

所有非根交换机都要选举，非根交换机上选举的根端口就是普通交换机去往根交换机的唯一链路，选举规则为到根交换机的PathCost值最小的链路，如果多条链路到达根交换机的PathCost值相同，则选举交换机Bridge-ID最小的链路，如果交换机Bridge-ID也是相同的，最后选举交换机对端端口号码最小的链路。

指定端口（DesignatedPort）

在每个二层网段都要选举，也就是在每个冲突域需要选举，简单地理解为每条连接交换机的物理线路的两个端口中，有一个要被选举为指定端口，每个网段选举指定端口后，就能保证每个网段都有链路能够到达根交换机，选举规则和选举根端口一样，即：

到根交换机的PathCost值最小的链路，如果多条链路到达根交换机的PathCost值相同，Bridge-ID最小的链路，如果Bridge-ID也是相同的，最后选举交换机对端端口号码最小的链路。

在STP选出根交换机，根端口以及指定端口后，其它所有端口全部被Block，为了防止环路，所以Block端口只有在根端口或指定端口失效的时候才有可能被启用。

交换机上的端口，根据端口的带宽不同，PathCost值也不同，以下参数为标准：

10Mb/s：

100

100Mb/s：

19

1000Mb/s：

4

10000Mb/s：

2

可以看出，带宽越高，被选为根端口和指定端口的几率就越大，所以经过STP选举后，活动的链路总是性能最好的，其它被Block掉的端口，将在活动端口失效时被启用。

以下图为例来看STP计算：

上图的网络环境中，运行STP后，则选举如下角色：

（所有链路为100Mb/s，即PathCost值为19）

根交换机（Root）

因为4台交换机的优先级分别为SW1（4096），SW2（24576），SW3（32768），SW4（32768），选举优先级最高的（数字最低的）为根交换机，所以SW1被选为根交换机，如果优先级相同，则比较MAC地址。

根端口（RootPort）

根端口需要在除SW1外的非根交换机上选举。

SW2上从端口F0/23到达根的PathCost值为19，从F0/19和F0/20到达根的PathCost值都为19×3=57。

因此，F0/23被选为根端口。

SW3上从端口F0/19到达根的PathCost值为19，从F0/23和F0/24到达根的PathCost值都为19×3=57。

因此，F0/19被选为根端口。

SW4上从所有端口到达根的PathCost值都为19×2=38，所以从比较PathCost值，无法选出根端口，然后比较SW2与SW3的Bridge-ID，所以选择往SW2的方向，然而通过端口F0/19和F0/20都可以从SW2到达根交换机，所以接下来比较端口F0/19和F0/20对端交换机端口的优先级，因为SW2的F0/19端口优先级为128，而F0/20的端口优先级为112，所以SW4选择连接SW2的F0/20的端口为根端口，即SW4的F0/20为根端口，如果此步还选不出，SW4将根据对端端口号做出决定，也就是F0/19和F0/20，数字小的为根端口，也就是F0/19。

指定端口（DesignatedPort）

每个网段（每个冲突域），或理解为每条线路都要选举指定端口。

在根交换机SW1连接SW2的网段与连接SW3的网段中，当然是根自己的端口离自己最近，所以这两个网段中，选举根交换机上的端口为指定端口，因此，根交换机上所有的端口都应该是指定端口。

在SW3连接SW4的两个网段中，同样也是SW3上的两个端口离根交换机最近，所以在这两个网段中，选举SW3上的端口为指定端口。

在SW2连接SW4的两个网段中，同样也是SW2上的两个端口离根交换机最近，所以在这两个网段中，选举SW2上的端口为指定端口。

注：

根交换机上所有的端口最终都为指定端口。

其它既不是根端口，也不是指定端口的落选的端口，就是SW4上的F0/19，F0/23，F0/24，都将被STP放入Blocking状态，不为用户提供数据转发，以此来防止环路。

最终的网络，构建出了任何两点之间，都是单链路的环境，不会有环路，当使用中的链路失效时，Blocking的端口可以代替原端口。

上图的STP选举结果如下：

根交换机（Root）

SW1

根端口（RootPort）

SW2：

F0/23SW3：

F0/19SW4：

F0/20

指定端口（DesignatedPort）

SW1：

F0/19，F0/23SW2：

F0/19，F0/20SW3：

F0/23，F0/24

Blocking端口

SW4：

F0/19，F0/23，F0/24

结果图如下：

注：

一个端口，在STP中只能处于一种角色，不可能是两种角色。

在交换机启动后，端口要过渡到转发状态，需要经历以下的状态：

1从initialization（初始化）到blocking

2从blocking到listening或disabled

3从listening到learning或disabled

4从learning到forwarding或disabled

被Disabled的接口相当于关闭了，每个状态有如下功能：

Blocking

丢弃所有收到的数据帧，不学习MAC地址，能收BPDU但不发BPDU。

Listening

丢弃所有收到的数据帧，不学习MAC地址，能收BPDP的处理BPDU，并进行STP计算。

Learning

丢弃所有收到的数据帧，会学习MAC地址，能收BPDU和处理BPDU。

Forwarding

也就是正常转发状态，能转发收到的数据帧，能学习MAC地址，接收并处理BPDU。

Disabled

丢弃所有收到的数据帧，不学习MAC地址，能收BPDU，除此之外不会再做其它的。

当交换机启动后，都认为自己是根交换机，然后从所有接口向网络中发送BPDU，称为configurationBPDU，所以configurationBPDU是根交换机发出的。

当交换机收到更优Bridge-ID的configurationBPDU，会将它从自己所有接口转发出去，并保存在接口，如果收到差的configurationBPDU，则全部丢掉，所以在交换网络中，只有根交换机的BPDU在转发，其它普通交换机的BPDU不会出现在网络中。

根交换机的BPDU会在每个hello时间往网络中发送一次，hello时间默认为2秒钟，也就是交换机的BPDU会在每2秒钟往网络中发送一次，如果普通交换机在max-age时间内没有收到根交换机的BPDU，则认为根交换机已经失效，便开始重新选举BPDU，默认max-age时间为20秒，即10倍hello时间。

除了hello时间和max-age时间外，还有一个forwarddelay时间，默认为15秒，接口在经过Listening和Learning状态时，都会分别停留一个forwarddelay时间，也就是说接口从Listening状态到Learning状态，最后变成转发状态，需要经过两个forwarddelay时间共计30秒。

因为STP有多个版本，不同版本的STP，在操作和运行上，会有所不同，但是需要说明，无论什么版本的STP，对根交换机，根端口以及指定端口的选举规则完全是一样的。

2、CommonSpanningTree（CST）

CST的协议号为IEEE802.1D，如果交换机运行在CST，交换机只进行一次STP计算，无论交换机上有多少个VLAN，所有流量都会走相同的路径。

3、RapidSpanningTreeProtocol（RSTP）

RSTP是快速STP，协议号为IEEE802.1w，在运行CST时，端口状态blocking、listening、disabled都不发送数据，RSTP将这三个状态归为一个状态，discarding状态。

其次之外就是learning和forwarding状态，所以RSTP端口状态为discarding、learning和forwarding。

当运行CST时，如果根交换机失效了，那么需要等待10个hello时间，也就是20秒收不到根交换机BPDU才能发现，再将block的端口过滤到forwarding状态，还需要经过两个forwarddelay时间共计30秒，所以CST在网络出现故障时，要经过50秒才能启用block端口，而RSTP则只需要在3个hello时间，即6秒收不到根交换机BPDU，便认为根交换机已经失去连接，就立刻启用discarding状态的接口，RSTP在根交换机失效后，并不会进行完整的STP计算，会在该启用备用端口时立即启用，因此网络收敛速度快，RSTP会在低于1秒的时间内恢复网络。

4、Per-VLANSpanning-Treeplus（PVST+）

PVST+是思科自己的协议，在之前有一个PVST，但由于PVST只能支持ISLTrunk，所以思科为了扩展PVST支持IEEE802.1Q，诞生了PVST+，在多数三层交换机，如3550、3560及以上型号，默认运行的STP版本为PVST+。

PVST+是基于CST（IEEE802.1D）运行的，但运行了PVST+的交换机并不像CST那样只进行一次STP计算，PVST+会在每个VLAN进行一次STP计算，也就是会根据VLAN数的不同，计算STP的次数也不同，并且每个VLAN的STP信息是单独保存的。

请看下图：

在上图的网络中，各台交换机上都有VLAN10，VLAN20，VLAN30，VLAN40，在运行CST的情况下，因为只进行一次STP计算，所以SW1到SW4的流量要么从SW2走，要么从SW3走，在这种情况下，流量只能走同一条路径，而另一条路径完全被空闲而得不到利用。

当在上图的网络中运行PVST+后，因为PVST+会在每个VLAN进行不同的STP计算，称为STP实例（instance），所以可以控制每个VLAN流量的路径走向。

上图中，就可以通过PVST+控制SW1的VLAN10和VLAN20从连接SW2的接口到达SW4，控制SW1的VLAN30和VLAN40从连接SW3的接口到达SW4，这样之后，将不同的VLAN流量分担到不同的路径，即实现了负载均衡，也通过STP避免了环路。

重点说明：

PVST+只支持128个实例（instance），如果交换机上配置的VLAN数超过128个，那么128个以外的VLAN将没有STP在运行，所以此时剩余的VLAN将出现环路。

可以单独在特定的VLAN上打开或关闭STP功能，即使一台没有运行STP的交换机或没有运行STP的VLAN，在收到BPDU时，也会转发的，所以在对单个VLAN进行开启或关闭STP时，请确保交换机能够计算出无环的网络，否则网络将出现预想不到的故障。

在PVST+可以配置全局关闭某VLAN的STP，如关闭VLAN10的STP

nospanning-treevlan10，恢复使用命令spanning-treevlan10

ExtendedSystemID

默认交换机的Bridge-ID的优先级为32768，当开启ExtendedSystemID功能后，每个VLAN的默认的Bridge-ID优先级就不再是32768了，需要再加上VLAN号码，如VLAN1的Bridge-ID优先级就是32768+1=32769，VLAN8的Bridge-ID优先级就是32768+8=32776。

如果网络中即有开启了ExtendedSystemID功能的交换机，也有关闭的，那么关闭ExtendedSystemID功能的交换机有更大的机会成为根交换机，因为自己默认的优先级就比其它开启了ExtendedSystemID功能的优先级更高（数字更小）。

5、RapidPVST+

RapidPVST+就是具有RSTP特性的PVST+，是像RSTP一样基于IEEE802.1w运行的，其它所有运行与规则与PVST+完全相同。

6、MultipleSpanningTreeProtocol（MSTP）

MSTP的协议号为IEEE802.1s，因为在交换机存在多个VLAN时，CST会将所有流量放在单条路径中传输，而PVST+则可以通过为每个VLAN运行一个STP实例，从而将不同VLAN的流量放在不同的路径上传输。

但正是由于PVST+为每个VLAN都运行了一个STP实例，可能会多达128个STP实例，所以PVST+会极其消耗系统资源。

比如交换机上有20个VLAN，而PVST+会维护20个STP实例，但是这20个VLAN的流量也许只需要被分担到几条不同路径上，那就只需要维护几个STP实例即可，而并不需要维护20个STP实例。

MSTP正因为这个原因，将需要进行相同STP计算的VLAN映射到同一个STP实例中，即无论有多少个VLAN，只要实际需要多少条不同的路径，就根据需要的路径维护相同的STP实例数，从而大大节省系统资源，如下图：

还是以此图为例，因为各台交换机上都有VLAN10，VLAN20，VLAN30，VLAN40，为了能够在SW1上让不同VLAN的流量从不同的路径到达SW4，所以可以运行PVST+，将流量分担到不同的路径上，即SW1通过PVST+将VLAN10和VLAN20的流量从连接SW2的接口到达SW4，将VLAN30和VLAN40的流量从连接SW3的接口到达SW4，但PVST+维护了4个STP实例，才达到此效果，不难看出，其实网络中只有两个不同的路径，VLAN10和VLAN20的路径完全是相同的，VLAN30和VLAN40的路径也是完全相同的，此时，MSTP就可以通过将相同的VLAN映射到同一个STP实例，如将VLAN10和VLAN20映射到一个实例，再将VLAN30和VLAN40映射到另外一个实例，总共只有两个STP实例，既像PVST+那样实现了负载均衡的效果，也节省了系统资源。

MSTP是在RSTP的基础之上运行的，所以具有快速收敛的功能，但不能不运行RSTP时运行MSTP，RSTP是随着开启MSTP时自动开启的。

MSTP最多支持65个STP实例，但是映射到实例的VLAN数量是没有限制的。

默认所有VLAN都在实例0。

MSTP还需要通过分区域管理，即region，交换机要在同一region进行相同的STP计算，必须regionname和revisionnumber一致，最重要的是VLAN和实例的映射也要一致，否则STP计算出来的网络，将不是你想要的网络，一个VLAN只能被映射到一个实例，一个网络可以有多个MSTPrevision，便于各自独立。

拓朴变更

当网络中的链路出现变化时，也就需要进行新的STP计算，并且由于交换机的MAC地址在表中的老化时间默认为300秒（5分钟），所以当原有的链路发生变化后，MAC地址与接口的对应关系也会发生变化，因此不能再等5分钟才更新，所以基于拓朴变化的因素，还需要将MAC地址的老化时间设置的更短，此动作在STP拓朴变更时，会自动更改为forward_delay的时间。

当网络链路发生变化后，必须进行新的STP计算，但是在正常的STP状态下，只有根交换机才能往网络里发送BPDU，称为configurationBPDU，而普通交换机只有接收configurationBPDU的权限，并不能向网络中发送BPDU。

但是当交换机检测到链路变化时，可以通知网络中的根交换机，此时可以发送一种特殊的BPDU，叫做topologychangenotification（TCN），也就是TCNBPDU。

TCNBPDU是用来告诉根交换机网络链路有变化，因此TCNBPDU只能从根端口发出去，如果接收者不是根交换机，则必须回复一个确认消息，这个消息是一个设置了TCA位的configurationBPDU，然后自己再从根端口向根发送TCNBPDU，直到根收到为止，当根收到TCNBPDU后，需要回复该BPDU，方式为发送一个设置了TC位的configurationBPDU。

其中，TCN是一种特殊的BPDU，而TCA只是设置了TCA位的configurationBPDU，TC也只是设置了TC位的configurationBPDU。

最终STP网络中，出现了两种BPDU，即TCNBPDU和configurationBPDU。

注：

★在配置STP时，Bridge-ID的优先级，端口优先级，hello时间，max-age时间，forwarddelay时间都可以手工修改，而Bridge-ID的优先级必须为4096的整数倍，端口优先级必须为16的整数倍。

★在修改时，PVST+可以基于每个VLAN修改，而MSTP则只能基于实例，而不能基于VLAN，因为一个实例会有多个VLAN。

可以通过命令来强制指定某台交换机为根交换机，当使用命令强制指定某交换机为根后，此交换机将通过修改一个比当前根交换机更高优先级的Bridge-ID，以此来抢夺根交换机的角色，如果命令再到别的交换机上输入，那么那台交换机将再次抢夺根交换机的角色，因为它可以修改自己的Bridge-ID比当前根更高的优先级，所以此命令最后在网络中的哪台交换机上输入后，哪台交换机就能成为根交换机，但是也有个限度，