STP生成树的工作原理.docx
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STP生成树的工作原理
STP生成树的工作原理
一、STP生成树的工作原理
STP的基本原理可以归纳为三步，选择根网桥RB、选择根端口RP、选择指定端口DP。
然后把根端口、指定端口设为转发状态，其它接口设为阻塞状态，这样一个逻辑上无环路的网络拓扑就形成了。
1.选择根网桥
选择根网桥的依据是网桥ID,由优先级和MAC地址组成，先看优先级，优先级相同时再看MAC地址，值越小越优先选择。
根网桥的选择过程与政治选举类似。
2.选择根端口
每一个非根网桥将从其接口选出一个到根网桥管理成本（administrativecost）最低的接口作为根端口，选择的依据是
（1）自身到达根网桥的根路径成本最低的接口。
根路径成本的计算是，接口收到BPDU中所包含的成本与接口的成本的累加。
（2）直连网桥ID最小
（3）端口ID最小
3.选择指定端口
当一个网段中有多个网桥时，这些网桥会将他们到根网桥的管理成本都通告出去，其中具有最低管理成本的网桥将作为指定（designated）网桥。
指定网桥中发送最低管理成本的BPDU的接口是该网段中的指定端口。
在每段链路上，选择一个指定端口，选择的依据是：
（1）发送最低根路径成本的BPDU的接口
（2）所在网桥ID最小
（3）端口ID最小
总结：
选举根端口，比较接收的BPDU
选举指定端口，比较发送的BPDU
二、STP拓扑稳定后，所以工作中的交换机接口都将处于转发或阻塞状态，生成树的工作过程如下：
（1）根交换机创建成本为0的HelloBPDU，并向其所有接口转发出去
（2）邻接的非根网桥将接收的hello数据包中的成本加上接收端口的成本后，从指定端口转发出去。
（3）每经过一个hello时间周期根网桥重复步骤
（1），非根网桥重复步骤
（2），直到网络拓扑发生变化。
总结一下：
STP拓扑稳定后，根网桥通过每2s的hello时间创建和发送helloBPDU,非根网桥通过根端口接收BPDU,并且从从指定端口转发改变后的BPDU。
各交换机通过接收到得的BPDU消息，来保持各端口状态的有效，直到拓扑发生变化。
三、网络对变化时生成树的状态
运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的一个。
在正常操作期间，端口处于转发或阻塞状态。
当设备识别网络拓扑结构变化时，交换机自动进行状态转换，在这期间端口暂时处于监听和学习状态。
（1）禁用Disabled:
（为了管理目的或者因为发生故障将端口关闭）
（2）阻塞Blocking：
所有端口以阻塞状态启动以防止回路。
由生成树确定哪个端口转换到转发状态，处于阻塞状态的端口不转发数据,但可接受BPDU
（3）监听Listening：
如果一个端口可以成为一个根端口或者指定端口，那么它就转入监听状态。
不发送接收数据，接收并发送bpdu，不进行地址学习（临时状态）。
（4）学习Learning：
不接收或转发数据，接收并发送bpdu，开始地址学习MAC地址表（临时状态）。
（5）转发Forwarding：
端口能转送和接受数据。
四、配置STP
（1）.启用STP
（config）#spanning-treevlanID
（2）.设置根网桥
（config）#spanning-treevlanIDrootprimary|second
注：
primary（24576）、second（28672）
（3）.修改网桥优先级
（config）#spanning-treevlanIDpriority优先级
注：
优先级是4096整数倍
（4）.修改端口成本
（config-if）#spanning-treevalnIDcost成本
（5）.修改端口优先级
（config-if）#spanning-treevlanIDport-prio优先级
（6）.配置上行速链路
（config）#spanning-treeuplinkfast
（7）.配置速端口
（config-if）#spanning-treeporfast
（8）.查看STP配置
#showspanning-tree
#showspanning-treevlaniddetail--详细信息
STP学习心得,应该都可以看懂的
了解生成树协议
1.STP:
bridges之间交换BPDU信息来检测循环,并通过关闭接口的方式来破坏循环
2.根桥（rootbridge）:
拥有最好的bridgeID即为根桥,网络中的一些诸如哪些端口被堵塞（block）哪些端口作为转发模式的决定都由根桥来决定
3.BPDU:
BridgeProtocolDataUnit,所有的switches通过交换这些信息来选择根switch
4.bridgeID:
用于STP跟踪网络中的所有switches,这个ID由bridge优先级（priority）和MAC地址符合而成,优先级默认为32768,ID最低的即为根桥
5.非根桥（nonrootbridge）:
不是根桥的全为非根桥,非根桥交换BPDUs来更新STP拓扑数据库
6.根端口（rootport）:
与根桥直接相连的端口,或者是到根桥最短的接口.如果到根桥的连接不止1条,将比较每条连接的带宽,耗费（cost）低的作为根端口;如果耗费相同就比较bridgeID,ID低的将被选用
7.指定端口（designatedport）:
耗费低的端口,作为转发端口
8.端口耗费（portcost）:
带宽来决定
9.非指定端口（nondesignatedport）:
耗费较高,为堵塞模式（blockingmode）,即不转发帧
10.转发端口（forwardingport）:
转发端口用来转发帧
11.堵塞端口（blockedport）:
不转发帧,用来防止循环的产生,虽然不转发,但是它可以监听（listen）帧
SpanningTreeOperations
之前说过:
STP的任务就是查找出网络中的所有连接,并关闭些会造成循环的冗余连接.STP首先选举1个根桥,用来对网络中的拓扑结构做决定.当所有的switches认同了选举出来的根桥后,所有的bridge开始查找根端口.假如在switches之间有许多连接,只能有1个端口作为指定端口
SelectingtheRootBridge
bridgeID用来在STP域里选举根桥和决定根端口,这个ID是8字节长,包含优先级和设备的MAC地址,IEEE版本的STP的默认优先级是32768.决定谁是根桥,假如优先级一样,那就比较MAC地址,MAC地址小的作为根桥
SelectingtheDesignatedPort
假如不止1个连接到根桥，那就开始比较端口耗费,耗费低的作为根端口,下面是一些典型的耗费标准:
1.10Gbps:
2
2.1Gbps:
4
3.100Mbps:
19
4.10Mbps:
100
Spanning-TreePortStates
运行STP的bridges和switches的5种状态:
1.堵塞（blocking）:
不转发帧,只接受BPDUs,主要目的是防止循环的产生.默认情况下,当switch启动时所有端口均为blocking状态，一般为20s
2.监听（listening）:
端口接受和发送BPDUs监听数据帧,不转发数据帧，来决定在传送数据帧之前没有循环会发生，一般为15s
3.学习（learning）:
监听BPDUs和学习所有路径,学习MAC地址表,不转发帧，一般为15s
4.转发（forwarding）:
转发和接收数据帧，读取MAC地址，更新桥的CAM表。
5.禁用（disabled）:
不参与帧的转发和STP,一般在这个状态的都是不可操作的
生成树”资料
交换机内的生成树算法（STA）使你可以创建一条备用链路（当网络中存在多台交换机时）。
在主链路正常工作时，备用链路处于空闲状态（不工作）；只有在主链路出现问题时，备用链路才不需要任何人工干预自动地接替主链路。
这种自动重构的功能，使得网络上的用户能够最大限度地与网络保持正常的连接。
生成树算法较复杂，所以，建议最好在充分研究理解其之后，再更改其一些设置。
请仔细阅读并理解下述内容之后，再去更改交换机上的生成树的默认设置。
网络环路的侦测和预防（Networkloopdetectionandprevention）：
任何两个局域网之间应该只有一条路径，否则，网络中将出现环路。
如果存在着多于一条的路径，那么生成树算法将会侦测到环路的发生，并自动选择开销值（cost）最低的那条路径作为可使用的路径（主链路），而阻断其它路径，将它们作为备用路径（备用链路）。
自动拓扑重构（Automatictopologyre-configuration）：
当主链路出现故障时，生成树算法将自动启用备用链路，重构网络结构。
生成树的级别（STAOperationLevels）
生成树有两种工作级别：
桥级别（bridgelevel）和端口级别（portlevel）。
在桥一级上，生成树算法为每台交换机计算桥的标志级数（BridgeIdentifier），然后设定根桥（RootBridge）和指定桥（DesignatedBridges）。
而在端口一级上，生成树算法设定根端口（RootPort）和指定端口（DesignatedPorts）。
详述如下：
在桥一级上（OntheBridgeLevel）：
根桥（RootBridge）：
具有最小桥标志级数的（lowestBridgeIdentifier）交换机是根桥（RootBridge）。
当然，你希望根桥是环路中所有交换机当中最好的一台（交换机），以保证能够提供最好的网络性能和可靠性。
桥标志级数（BridgeIdentifier）：
桥标志级数是桥的优先级（BridgePriority）和交换机的MAC地址的综合数值，其中桥的优先级（BridgePriority）是一个你可以设定的参数。
例如，“40080C8000100”中的“4”是桥的优先级，“0080C8000100”是交换机的MAC地址。
交换机的桥标志级数越低，则交换机的优先级越高，这样可以增加其成为根桥的可能性。
指定桥（DesignatedBridge）：
在每个网段中，到根桥（RootBridge）的路径开销最低的（lowestRootPathCost）桥将成为指定桥（DesignatedBridge），数据包将通过它转发到网段。
一旦所有的交换机具有相同的根路径开销（RootPathCost），那么具有最低的桥标志级数的（lowestBridgeIdentifier）交换机才会被定为指定桥（DesignatedBridge）。
根路径开销（RootPathCost）：
一台交换机的根路径开销（RootPathCost）是根端口（RootPort）的路径开销（PathCost）与数据包经过的所有交换机的根路径开销（RootPathCost）之和。
根桥（RootBridge）的根路径开销（RootPathCost）是零。
桥的优先级（BridgePriority）：
是一个用户可以设定的参数。
设定的值越小，优先级越高。
交换机具有越高的优先级，才越有可能成为根桥。
在端口一级上（OnthePortLevel）：
根端口（RootPort）：
每台交换机都有一个根端口（RootPort），这个端口到根桥的路径开销最低。
一旦多个端口具有相同的到根桥的路径开销时，那么具有最低的端口标志级别的才会成为根端口。
指定端口（DesignatedPort）：
指定端口就是指定桥（DesignatedBridge）上的端口。
端口优先级（PortPriority）：
数值越小，端口的优先级就越高。
具有越高端口优先级，才越有可能成为根端口。
路径开销（PathCost）：
这是一个可变的参数，它将随着生成树中的设定值的变化而变化。
依据STA的默认参数值，每个1000Mbps网段有一个指定的路径开销值为4，100Mbps网段的路径开销值19，10Mbps网段的路径开销值100。
生成树参数（STAParameters）
生成树的参数用户可以根据自己的需要进行修改，但是建议最好使用出厂时的默认设置。
除非确实需要对出厂设置值进行变动时，再去改动默认值。
用户可以改动的生成树参数有如下几个：
桥优先级（BridgePriority）：
数值范围从0到65535。
“0”的优先级最高。
呼叫时间（BridgeHelloTime）：
数值范围从1秒到10秒。
是指根桥向其它所有交换机发出BPDU数据包的时间间隔，以告知其它所有交换机它是根桥。
如果你的交换机还未是根桥时为其设置了呼叫时间，那么，一旦你的交换机成为根桥，该呼叫时间就会派上用处。
注意：
呼叫时间不能大于桥的最大老化时间（Max.Age），否则，将出现错误信息。
最大的桥老化时间（BridgeMax.Age）：
数值范围从6秒到40秒。
如果在超出最大老化时间之后，还没有收到根桥发出的BPDU数据包，那么，在允许的条件下你的交换机将充当根桥向其它所有的交换机发出BPDU数据包。
如果交换机确实具有最小的桥标志级数，那么，它将随之成为根桥。
桥转发时延（BridgeForwardDelay）：
数值范围从4秒到30秒。
是指交换机的端口从阻塞状态转为转发状态所用的监听时间。
当你欲变动生成树参数时，请一定记住下述公式：
最大的桥老化时间≤2x（桥转发时延–1秒）
即：
Max.Age≤2x（ForwardDelay-1second）
最大的桥老化时间≥2x（呼叫时间+1秒）
即：
Max.Age≥2x（HelloTime+1second）
端口优先级（PortPriority）：
数值范围从0到255。
数值越小，那么该端口越可能成为根端口。
生成树协议（STP）
1.冗余链路：
冗余连接可以防止网络中的单点失效的问题；冗余连接也导致了交换回路的出现。
2.交换回路引发的问题：
广播风暴；同一帧的多拷贝；不稳定的MAC地址表。
3.STP介绍：
通过阻塞一个或多个冗余端口，维护一个无回路的网络（IEEE802.1d）
4.工作过程：
运行生成树算法（STA）的交换机定期发送BPDU；选取唯一一个根网桥；在每个非根网桥选取唯一一个根端口；在每网段选取唯一一个标志端口。
（1）.选取唯一一个根网桥：
BPDU中包含BridgeID；BridgeID（8B）＝优先级（2B）＋交换机MAC地址（6B）；一些交换机的优先级默认为32768，可以修改；优先级值最小的成为根网桥；优先级值最小的成为根网桥；优先级值相同，MAC地址最小的成为根网桥；BridgeID值最小的成为根网桥；根网桥缺省每2秒发送一次BPDU；
（2）.在每个非根网桥选取唯一一个根端口：
根网桥上没有根端口；端口代价最小的成为根端口；端口代价相同，PortID最小端口的成为端口；PortID通常为端口的MAC地址；MAC地址最小的端口成为根端口；
（3）.在每网段选取唯一一个标志端口：
端口代价最小的成为标识端口；根网桥端口到各网段的代价最小；通常只有根网桥端口成为标识端口；被选定为根端口和标识端口的进行转发状态；落选端口进入阻塞状态，只侦听BPDU；
（4）.阻塞端口在指定的时间间隔（缺省20秒）收不到BPDU时，会重新运行生成树算法进行选举；缺点：
在运行生成树算法的过程中，网络处理阻断状态，所有端口都不进行转发。
计算过程缺省为50秒。
生成树相关的几个概念STP/RSTP/MSTP
STP：
IEEEStd802.1D-1998定义，不能快速迁移。
即使是在点对点链路或边缘端口，也必须等待2倍的forwarddelay的时间延迟，网络才能收敛。
RSTP：
IEEEStd802.1w定义，可以快速收敛，却存在以下缺陷：
局域网内所有网桥共享一棵生成树，不能按vlan阻塞冗余链路。
MSTP可以弥补这样缺陷，它允许不同vlan的流量沿各自的路径分发，从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。
MSTP：
MultipleSpanningTreeProtocol多生成树协议在规范IEEEStd802.1s中第13节描述。
MSTP算法通过应用MSTP、STP或RSTP的桥任意互连的桥接网络，为分配给任一个特定VLAN的帧提供了简单而完备的连通性。
MSTP允许不同VLAN的数据从各自的路径分发。
各条路径建立在由LAN和MST桥组成的MST域中的各个独立的多生成树实例的基础上。
当STP和RSTP混用
当STP和RSTP混用时，STP会丢弃RSTP的BPU，当RSTP收到STP的BPDU的时候会在经过一个hello周期后（防止端口频繁切换），适配未STP模式！
当网络中支持STP的设备被拿走后，RSTP的设备不会自动切换为RSTP状态，因为设备不能察觉这种情况！
MSTP和PVST的区别！
PVST会为每一个VLAN维护一个STP的进程，发送BPUD，但是会给交机和链路带来很大的负担！
但是在实际组网中并不需要为每个VLAN生成独立的VLAN，可以给一组VLAN采用相同的STP！
因此MSTP，对此进行了改进！
提出了region的概念！
详细可以参考RFC！
MSTP和RSTP的互通
MSTP上存在一个IST（InternalSpanningTree）,相当于一个RSTP的进程，通过该IST和其它RSTP设备互通！
整个MSTP的Region对于CST（CommonSpanningTree）来说是一个虚拟的交换机！
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