HCIA学习记录（四）[STP生成树]

一、STP生成树解决的问题

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。

1. 二层环路带来影响

1)、广播风暴：影响网络带宽资源，造成网络瘫痪。

2)、MAC地址漂移：多个接口收到广播报文，学习相同源MAC，会造成多个接口MAC地址来回漂移。

3)、导致用户通信质量较差，甚至通信中断

2. STP生成树解决的问题

STP是一种用于局域网中消除环路的协议。
生成树主要是为了解决网络链路冗余设计从而产生的二层环路，交换机二层帧结构决定了二层帧没有防环机制。

• STP协议就是为解决交换网络中的环路问题
• STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路

RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充，实现了网络拓扑快速收敛。

3. BUM

BUM 指三种帧：交换机泛洪转发
BUM (broadcast, unknown destination address, multicast) 流量

• B（broadcast）：广播

• U（unknown destination address）：目标MAC地址未知单播帧（交换机收到一个帧目标MAC在自己MAC地址表不存在）

• M（multicast）：组播帧

4. STP生成树解决问题的方法

STP生成树：

在交换机之间进行生成树报文的交互，进行无环拓扑计算，最终阻塞单个或多个接口，从而打破环路，网络从一个环，变成一棵树。

交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整。

因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

二、STP的基本概念及工作原理

1. STP基本概念

1.1 桥ID（Bridge ID，BID）

• IEEE 802.1D标准中规定BID由16位的桥优先级（Bridge Priority）与48位的桥MAC地址构成。
• 每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。
• BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。
• 在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。
  

1.2 根桥（Root Bridge）

根桥是一个STP交换网络中的“树根”，桥ID最小的设备会被选举为根桥。

比较过程：

• 先比较桥优先级大小，优先级最小的为根桥
• 桥优先级相同情况下，比较桥MAC地址大小，最小的MAC地址为根桥

1.3 开销（Cost）

• 每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。
• 接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。
• 接口带宽越大，则Cost值越小。
• 用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。

现版本IEEE 802.1t标准更优

1.4 根路径开销（Root Path Cost）

一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。

如图，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。

1.5 接口ID（Port ID，PID）

• 运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。
• 接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号（接口编号就是物理口）。
• 激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换机上，该值为128。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。
  

1.6 BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）

• BPDU是STP的协议报文
• STP交换机之间会交互BPDU报文，STP的正常工作依赖于此
• BPDU分为两种类型：
  • 配置BPDU（Configuration BPDU）
  • TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）
• 配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键；
• TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发。

STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU：

（选举根桥）

• 最小的根桥ID

（选举根接口及指定接口）

• 最小的RPC
• 最小的网桥ID
• 最小的接口ID

2. STP的计算过程

2.1 选举根桥

在交换网络中选举一个根桥

（选择最优的路由设备，有且只有一个）

• STP在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。
• 网络中拥有最小桥ID的交换机成为根桥。
• 在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
• 根桥的角色是可抢占的。
• 为了确保交换网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0。

2.2 选举根接口

在每台非根桥上选举一个根接口

(非根桥交换机上的接口，与根桥直连最近的非根桥交换机的接口，有几个交换机，就有几个根接口)

• 每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个接口。
• 非根桥交换机上有且只会有一个根接口。
• 当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU的接口。
• 可以形象地理解为，根接口是每台非根桥上“朝向”根桥的接口。

2.3 选举指定接口

在每条链路上选举一个指定接口

（根桥或者非根桥交换机上的接口）

• 根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较：
  • 如果前者更优，则该接口为指定接口；
  • 如果后者更优，则该接口为非指定接口。
• 一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口

2.4 阻塞非指定接口

非指定接口被阻塞

• 一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被称为非指定接口。
• STP操作的最后一步是阻塞网络中的非指定接口。这一步完成后，网络中的二层环路就此消除。

3. STP的接口状态

STP的接口状态迁移

三、STP的基础配置

STP的基础配置命令

// 配置生成树工作模式
// 交换机支持STP、RSTP和MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）三种生成树工作模式，默认情况工作在MSTP模式。

[Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }

//（可选）配置根桥
// 配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。

[Huawei] stp root primary

//（可选）备份根桥
// 配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级。

[Huawei] stp root secondary

//（可选）配置交换机的STP优先级
// 缺省情况下，交换机的优先级取值是32768(2^15)。

[Huawei] stp priority priority

// （可选）配置接口路径开销
// 配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t（dot1t）标准方法。
同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法。

[Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }

// 设置当前接口的路径开销值。
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost

//（可选）配置接口优先级
// 配置接口的优先级。缺省情况下，交换机接口的优先级取值是128。

[Huawei-intf] stp priority priority

// 启用STP/RSTP/MSTP
// 使能交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，设备的STP/RSTP/MSTP功能处于启用状态。

[Huawei] stp enable

四、RSTP对STP的其他改进

• 配置BPDU的处理发生变化：
  • 拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式进行了优化
  • 使用更短的BPDU超时计时
  • 对处理次等BPDU的方式进行了优化
• 配置BPDU格式的改变，充分利用了STP协议报文中的Flag字段，明确了接口角色
• RSTP拓扑变化处理：相比于STP进行了优化，加速针对拓扑变更的反应速度