STP
STP基本概念
| 名称 | 概念 |
|---|---|
| 桥ID（Bridge Identification） | 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的桥ID。8Byte，包含16bit的桥优先级(Bridge Priority）和48bit的桥MAC地址，其中桥优先级占据桥ID的高16bit，而MAC地址占据其余的48bit |
| 根桥（Root Bridge） | 网络中拥有最小桥ID的交换机将成为根桥。首先比较桥优先级，桥优先级小的值将胜出成为根桥，如果优先级相等，再比较MAC地址最小的交换机为根桥 |
| 开销（Cost） | 丈量交换机某个接口到根桥的“成本” |
| 接口ID（Port Identification） | 长度为16bit，高4bit是接口优先级，低12bit是接口编号，缺省时接口优先级为128，取值范围0-240，并且必须是16的倍数 |
STP的基本操作过程
- 在交换网络中选举一个根桥（Root Bridge，RB），桥ID最小的交换机将成为根桥，根桥具有可抢占性
- 在每个非根桥上选举一个根接口（Root Port，RP），根接口就是非根桥上所有接口中收到最优BPDU报文，可以简单理解成交换机在STP树上“朝向”根桥的接口。非根桥可能会有一个或多个接口接入同一个交换网络，STP将在这些接口之中选举出一个（而且只会选一个）根接口。在STP收敛完成之后，根桥依然会周期性地向网络中发生BPDU，而非根桥则会周期性地在自己的根接口上收到BPDU，并沿着STP树向下游转发
- 选举指定接口（Designated Port，DP），STP将在每个网段中选举一个指定接口，这个接口是该网段内所有接口中到达根桥的最优接口。此外，指定接口还负责向该网段发送BPDU。对于非根桥而言，其所有接口中收到最优BPDU的接口将成为该设备的根接口，随后该非根桥使用自己接收的最优BPDU，为本设备上的其他接口各计算一个BPDU，然后使用计算出的BPDU与接口上所维护的BPDU（接口自身也会从网络中收到BPDU，并将BPDU保存起来）进行比较，如果前者更优，那么该指定将成为指定接口，并且其所保存的BPDU也被前者替代，交换机将替代后的BPDU从该指定接口转发给下游交换机；如果后者更优，那么该接口将成为非指定接口（非指定接口指的是既不是接口，又不是指定接口的接口）。
- 阻塞非指定接口，打破二层环路，经过STP计算后，交换机的某个（或者某些）接口既不是根接口又不是指定接口，那么该接口将会被STP阻塞。
对于非根桥而言，根接口的选举过程是非根桥将自己所收到的所有BPDU进行比较，而指定接口的选举则是非根桥用自己计算出的BPDU跟别的设备发过来的BPDU进行比较
STP报文
配置BPDU（Configuration BPDU）
每台交换机都从自己激活了STP的接口向外发送配置BPDU。当STP收敛完成后，只有根桥才会周期性地发送配置BPDU（缺省时，以2s为周期发送配置BPDU，可以在设备的系统视图下使用stp timer hello命令修改发送周期），而非更桥则会在自己的根接口上收到上游发送过来的配置BPDU，并立即被触发而产生自己的配置BPDU，然后从自己的指定接口发送出去。这一过程看起来就像是根桥发出的配置BPDU逐跳地“经过”了其他的交换机
| 字节数 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 2 | 协议ID（Protocol Identifier） | 对于STP而言，该字段的值总为0 |
| 1 | 协议版本ID（Protocol Version Identifier） | 对于STP而言，该字段的值总为0 |
| 1 | BPDU类型（BPDU Type） | 指示本BPDU的类型，若值为0x00，则表示本报文为配置BPDU；若值为0x80，则本报文为TCN BPDU |
| 1 | 标志（Flag） | 对于STP而言，该字段（共8bit）用于网络拓扑变化标志。STP只使用了该字段的最高及最低两个比特位，最低位是TC（Topology Change，拓扑变更）标志，最高位是TCA（Topology Change Acknowledgment，拓扑变更确认）标志 |
| 8 | 根桥ID（Root Identifier） | 根桥的桥ID |
| 4 | 根路径开销（Root Path Cost） | 到达根桥的STP路径开销 |
| 8 | 网桥ID（Bridge Identifier） | 发送本BPDU的交换机的桥ID |
| 2 | 接口ID（Port Identifier） | 发送本BPDU的接口的接口ID |
| 2 | 消息寿命（Message age） | 本BPDU的寿命。在根桥所发送的BPDU中，该字段值为0，此后BPDU每经过一个交换设备，该字段值增加1，因此实际上这个字段指示的是BPDU所经过的交换设备的个数 |
| 2 | 最大寿命（Max age） | BPDU的最大存活时间，也称老化时间，缺省为20s |
| 2 | Hello时间（Hello time） | BPDU的发送时间间隔，缺省为2s |
| 2 | 转发延迟（Forward Delay） | 接口在侦听和学习状态所停留的时间，缺省为15s |
TCN BPDU（详见该书456页的图10-12）
只有上表的“协议ID”、“协议版本ID”以及“BPDU类型”三个字段。当拓扑发生变更时，远离变更点的交换机无法直接感知到变化的发生，此时它们的MAC地址表项还是老旧的，如果依然通过这些MAC地址表项来知道数据转发，便可能出现问题。因此STP需要一种机制，用于在网络中发生拓扑变更时促使全网的交换机尽快老化自己的MAC地址表项，以便适应新的网络拓扑。当拓扑稳定时，网络中只会出现配置BPDU，而当拓扑发生变更时，STP会使用TCN BPDU，以及两种特殊的配置BPDU：
- “标志”字段中TCA比特位被设置为1的配置BPDU。STP要求TCN BPDU从发现拓扑变更的交换机传递到根桥的过程是可靠的，因此当一台交换机收到下游发送上来的TCN BPDU后，需使用“标志”字段中TCA比特位被设置为1的配置BPDU回应对方并向自己的上游发送TCN BPDU。这个过程将一直持续，直到根桥收到该TCN BPDU
- “标志”字段中TC比特位被设置为1的配置BPDU。根桥收到TCN BPDU后，也就意识到了拓扑变化变化的发生，接下来它要将该变化通知到全网，它将向网络中泛洪“标志”字段中TC比特位被设置为1的配置BPDU，网络中的交换机收到该配置BPDU后，会立即将其MAC地址表的老化时间从原有的值调整为一个较小的值（该值等于转发延迟时间），使MAC地址表能够尽快刷新，以便适应新的网络拓扑
STP的时间参数
- Hello Time（Hello时间）：运行了STP的交换机发送配置BPDU的时间间隔，缺省为2s。如需修改STP发送配置BPDU的时间间隔，那么必须在根桥上修改，修改完成后，所有的非根桥都与根桥对齐该时间值
- Forward Delay（转发延迟）：运行了STP的接口从侦听状态进入学习状态，或者从学习状态进入转发状态的延迟时间，缺省为15s。为了避免在生成树收敛过程中网络中可能出现的临时环路，或者短暂的数据帧泛洪现象，STP定义了侦听及学习这两种接口状态，并要求接口从阻塞状态进入转发状态前必须先经历这两个状态，而且分别在这两个状态各停留一个转发延迟时间。
- Max Age（最大生存时间）：也称为老化时间，缺省为20s。以非根桥的根接口为例，该设备将在这个接口上保存来自上游的最优BPDU，这个BPDU关联着一个最大生存时间，如果在该BPDU到达最大生存时间之前，接口再一次收到了BPDU，那么其最大生存时间将会被重置，而如果接口一直没有再收到BPDU从而导致该接口上保存的BPDU到达最大生存时间，那么该BPDU将被老化，此时设备将会重新在接口上选择最优BPDU，也就是重新进行根接口的选举
STP接口状态
| 状态名称 | 状态描述 |
|---|---|
| 禁用（Disable） | 该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down |
| 阻塞（Blocking） | 该接口被STP阻塞，处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 侦听（Listening） | 当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口或者指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 学习（Learning） | 当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧（但是不能转发业务数据帧），并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习 |
| 转发（Forwarding） | 处于该状态的接口可以正常收发业务数据帧，也会进行BPDU处理，接口的角色需是根接口或指定接口才能进行转发状态 |
当交换机的一个接口被激活后，该接口将从禁用状态自动进入阻塞状态。处于阻塞状态的接口如果被交换机选举为根接口或者指定接口，那么它将从阻塞状态进入侦听状态，并且在侦听状态停留15s（转发延迟时间）。在侦听状态停留15s后，如果该接口依然是根接口或者指定接口，那么它将进入学习状态，并且在该状态下也停留15s（转发延迟时间）。由于此时交换机在接口上并未学习到任何MAC地址，因此如果接口从侦听状态立即进入转发状态的话，就有可能在短时间内导致网络中出现不必要的数据帧泛洪现象。所以，STP规定接口从侦听状态进入学习状态后，也需停留15s，在这段时间内交换机在该接口持续侦听业务数据帧并学习MAC地址，为进入转发状态做好准备
stp mode stp //修改为stp模式
stp enable //激活生成树
display stp //查看stp的状态
stp cost 50000 //修改stp接口cost值位50000
stp priority 0 //修改stp优先级为0
RSTP
| 名称 | 概念 |
|---|---|
| 替代接口 | 可以简单理解为根接口的备份，由于收到了其他设备所发送的BPDU从而被阻塞的接口 |
| 备份接口 | 设备上由于收到了自己所发送的BPDU从而被阻塞的接口。如果一台交换机拥有多个接口接入同一个网段，并且在这些接口中有一个被选举为该网段的指定接口，那么这些接口中的其他接口将被选举为备份接口，备份接口将作为该网段到达根桥的冗余接口 |
一台设备如果是非根桥，那么它有且只能有一个根接口，但是该设备可以没有替代接口，也可以有，当存在替代接口时，可以存在一个或多个。当设备的根接口发生故障时，最优的替代接口将成为新的根接口
| STP的接口状态 | RSTP的接口状态 |
|---|---|
| 禁用（Disabled） | |
| 阻塞（Blocking） | 丢弃（Discarding） |
| 侦听（Listening） | |
| 学习（Learning） | 学习（Learning） |
| 转发（Forwarding） | 转发（Forwarding） |
RSTP的配置BPDU被称为RST BPDU（Rapid Spanning Tree BPDU），协议ID字段值为0x02，BPDU类型字段的值为0x02，标示字段8bit如下，
| 名称 | bit |
|---|---|
| TCA | 1bit |
| Aggreement | 1bit |
| Forwarding | 1bit |
| Learning | 1bit |
| Port Role | 2bit |
| Proposal | 1bit |
| TC | 1bit |
- Aggreement（同意）及Proposal（提议）比特位用于RSTP的P/A机制；
- Port Role（接口角色）比特位的长度为2bit，用于标识该RST BPDU发送接口的接口角色，01表示根接口，10表示替代接口，11表示指定接口，而00则被保留使用；
- Forwarding（转发）及Learning（学习）比特位用于表示该RST BPDU发送接口的接口状态
RSTP与STP不同，在网络稳定后，无论是根桥还是非根桥，都将周期性地发送配置BPDU，也就是说对于非根桥而言，它们不用在根接口上收到BPDU之后，才被触发而产生自己的配置BPDU，而是自发地、周期性发送BPDU
RSTP在BPDU的处理上的另一点改进是对于次优（Inferior）BPDU的处理。运行STP的交换机在每个接口上保存一份BPDU，对于根接口及非指定接口而言，交换机保存的是发送自上游交换机的BPDU，而对于指定接口而言，交换机保存的是自己根据根接口的BPDU所计算出的BPDU。如果接口收到一份BPDU，而且该接口当前所保存的BPDU比接收的BPDU更优，那么后者对于前者而言，就是次优BPDU，在STP中，当指定接口收到次优BPDU时，它将立即发送自己的BPDU，而对于非指定接口，当其收到次优BPDU时，它将等待接口所保存的BPDU老化之后，再重新计算新的BPDU，并将新的BPDU发送出去，这将导致非指定接口需要最长约20s的时间才能启动状态迁移。在RSTP中，无论接口的角色如何，只要接口收到次优BPDU，便立即发送自己的BPDU，这个变化使得RSTP的收敛更快
边缘接口
缺省不参与生成树计算，当边缘接口被激活之后，可以立即切换到转发状态并开始收发业务流量，而不用经历转发延迟时间，并且边缘接口的关闭或激活并不会触发RSTP拓扑变更；如果边缘接口误接交换机并且收到了BPDU，则该接口立即变成一个普通的生成树接口，在这个过程中，可能引发网络中的RSTP重计算，从而对网络造成影响
//开启边缘接口
stp edged-port enable
//激活该接口的BPDU过滤功能 激活后该接口不再发送BPDU，收到BPDU时也会直接忽略
stp bpdu-filter enable
P/A机制
- LSW1和LSW2立即在各自的接口上发送BPDU，初始时双方都认为自己是根桥
- 经过BPDU交互后，LSW2将认为LSW1才是当前的根桥，此时SW1的E0/0/2口是指定接口，而LSW2的E0/0/1口为根接口，两个接口将立即停止发送BPDU。这两个接口当前都处于丢弃状态
- 接下来P/A过程，LSW1的E0/0/2接口为指定接口且处于丢弃状态，因此LSW1从E0/0/2接口发送Proposal置位的BPDU
- LSW2收到Proposal置位的BPDU后，立即启动同步过程，此时RSTP的机制是确保指定接口（LSW1的E0/0/2）能够快速地进入转发状态，为了达到这个目的，必须确保该接口进入转发状态后网络中不存在环路，因此LSW2的思路是：先将本地的所有非边缘接口全部阻塞，然后答复LSW1这里不存在环路，后者可以放心大胆地将接口切换到转发状态；已经处于丢弃状态的接口缺省即已完成同步，而边缘接口则不参加该过程，除此之外，交换机处于转发状态的指定接口需切换到丢弃状态以便完成同步。如图，假设LSW2的E0/0/2为边缘接口、E0/0/3为非边缘指定接口，那么E0/0/2不参与该过程、E0/0/3接口则被立即切换到丢弃状态
- 现在LSW2的所有接口都完成了同步，LSW2知道本地的接口不存在环路，它立即将根接口E0/0/1切换到转发状态，并从E0/0/1口向LSW1发送Agreement置位的BPDU
- LSW1在E0/0/2接口上收到Agreement置位的BPDU后，立即将该接口切换到转发状态，此时PC1和PC2就能通信了
- 由于LSW2的E0/0/3此时依然处于丢弃状态，因此该接口也将向下游交换机发起一个P/A过程
保护功能
//配置该命令后，边缘接口接收到BPDU就会shutdown
stp bpdu-protection
//自动恢复bpdu-protection的接口30秒
error-down auto-recovery cause bpdu-protection interval 30
//根保护，如果接收到更优的BPDU，则会忽略这些BPDU，并将接口切换到丢弃状态（只在指定接口上激活才有效）
//如果接口不再接收到更优的BPDU，则一段时间后（通常为两倍的转发延迟时间），它将会自动恢复到转发状态
stp root-protection
//配置环路保护功能
stp loop-protection
//配置禁用生成树
stp disable
如图，网络收敛完成后，此时如果在LSW2的E0/0/1（根接口）上配置环路保护功能，这时如果LSW1到达LSW2的单向链路出现故障的话，该接口长时间没有接收到BPDU，此时会将其切换为指定接口，并将其切换到丢弃状态，直到该接口再次接收到BPDU；如果将LSW2的E0/0/2（替代接口）配置环路保护功能，该接口长时间没有接收到BPDU，交换机会将该接口调整为指定接口，但是会保持其丢弃状态避免环路
RSTP错误地阻塞接口导致网络故障
如图，当LSW1的E0/0/2口阻塞后，LSW1与LSW3之间就无法建立OSPF邻接关系；此时只需要将E0/0/2口禁用生成树能解决
MSTP
能够兼容STP及RSTP，在该协议中生成树是基于instance（实例）运行的，所谓instance（实例），就是一个或者多个vlan的集合。可以将一个或者多个vlan映射到一个instance（实例），然后MSTP基于该instance计算生成树，基于instance的生成树被称为MSTI（Multiple Spanning Tree Instance，多生成树实例），MSTP为每个instance维护独立的MSTI。映射到同一个instance的vlan将共享同一棵生成树。instance使用instance-ID进行标识，在华为交换机上，instance-ID的取值范围是0-4094，其中instance0是缺省便已经存在的，而且缺省时，交换机上所有的vlan都映射到了instance0。MSTP引入了域（Region）的概念，可以将一个大型的交换网络划分成多个MST域（Multiple Spanning Tree Region，多生成树域），一个MST域内可以包含一个或多台交换机，同属一个MST域的交换机必须配置相同的域名（Region Name）、相同的修订级别（Revision Level）、相同的vlan与instance的映射关系
stp mode mstp //切换stp模式为mstp
stp enable //开启stp
如图，让vlan1-10走LSW1和LSW3这条链路，vlan11-20走LSW2和LSW3这条链路
//LSW1的配置
#
vlan batch 2 to 20
#
stp instance 0 root primary
stp instance 1 root primary
stp instance 2 root secondary
#
stp region-configuration
region-name HCNP
instance 1 vlan 2 to 10
instance 2 vlan 11 to 20
active region-configuration
#
interface Ethernet0/0/1
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan 2 to 4094
#
interface Ethernet0/0/2
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan 2 to 4094
#
//LSW2的配置
#
vlan batch 2 to 20
#
stp instance 0 root secondary
stp instance 1 root secondary
stp instance 2 root primary
#
stp region-configuration
region-name HCNP
instance 1 vlan 2 to 10
instance 2 vlan 11 to 20
active region-configuration
#
interface Ethernet0/0/1
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan 2 to 4094
#
interface Ethernet0/0/2
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan 2 to 4094
#
//LSW3的配置
#
vlan batch 2 to 20
#
stp region-configuration
region-name HCNP
instance 1 vlan 2 to 10
instance 2 vlan 11 to 20
active region-configuration
#
interface Ethernet0/0/1
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan 2 to 4094
#
interface Ethernet0/0/2
port link-type trunk
port trunk allow-pass vlan 2 to 4094
#
interface Ethernet0/0/4
port link-type access
port default vlan 2
#
interface Ethernet0/0/5
port link-type access
port default vlan 11
#
