交换网络防环协议——STP生成树（交换机防环协议）

交换网络防环协议——STP生成树（交换机防环协议）

生成树协议：STP（交换机控制层面协议）交换机之间通过多条链路互连时（冗余线路），虽然能够提升网络可靠性，但同时也会带来环路问题。而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题（如广播风暴、引起MAC地址表震荡、网络中的主机会收到重复数据帧等）。

解决方案1：不考虑部署冗余线路，可以解决环路问题；但是会牺牲网络的冗余性，容易产生单点故障。

解决方案2：使用生成树协议STP（在经典以太网环境中，网络设备性能较低）

解决方案3：优化交换机的控制层面，可以高质量的学习MAC地址（在二代以太网环境中-数据中心，交换机可以像路由器一样的学习、生成MAC地址表项）二代以太网技术：Fabricpath（思科私有）、Trill（公有协议）

生成树协议STP的工作原理：在冗余的环境中，首先确定网络中的最优路径和次优路径，通过阻塞次优路径来消除链路中可能出现的环路，并实时监测链路状态；当最优路径出现故障时，通过激活次优路径来使网络恢复连通性。BPDU报文：（使用组播地址0180.C200.0000发送）

封装格式：802.3/802.2/SNAP/BPDU/FCS

BPDU有两种：配置BPDU（网桥协议数据单元）和TCN -BPDU（拓扑变更通告）

TCN -BPDU是下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个交换机都会以自己为根交换机主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根交换机主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，通过缓存和转发配置BPDU。

配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，内容如下：PID（协议ID-0） PVI（协议版本-0） BPDU Type（配置BPDU/TCN -BPDU）Flags（特殊标识，共8位，用以区分TCA -BPDU、TC -BPDU）根桥ID（Root ID）：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根桥。根路径开销（COP）：到根交换机的最短路径开销（用接收接口带宽非链路带宽）指定桥ID（Bridge ID）：由指定桥的优先级和MAC地址组成（指定桥的优先级可以手工方式修改前4bit的值，修改后的数值必须为4096的倍数，以小为优）。扩展系统ID：使用优先级字段中的后12bit，取值范围0-4095指定端口ID（Port ID）：由指定端口的优先级和端口号组成（指定端口的优先级可以手工方式进行修改，修改后的数值必须为16的倍数，以小为优）。Message Age：配置BPDU在网络中传播的距离，最大20跳(功能类似TTL）。Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期，默认值20秒。Hello Time：配置BPDU发送的周期，默认时间2秒。Forward Delay：端口状态迁移的延时，默认时间15秒。生成树协议的选举过程：根桥（核心）、指定端口（发送）、根端口（接收）

第一步：根桥选举Root Bridge（最核心的交换机，首发配置BPDU消息）根桥的选举依据的是根桥ID，每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备（桥ID最小）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。

第二步：指定端口选举/DP（指定端口用于发送BPDU消息，在链路两端，指定端口有且只有一个，指定端口是链路两端去往根桥最优路径的接口；根桥的所有端口都是指定端口，除非根桥在物理上存在环路）；选举步骤如下：1、比较链路两端接口发送BPDU消息中的Root ID2、比较链路两端接口发送BPDU消息中的根路径开销RPC；思科设备的cost值以带宽来计算的，如100M/19；1000M/4；10000M/2）3、比较链路两端接口发送BPDU消息中的Bridge ID（转发者的Bridge ID）4、比较链路两端接口发送BPDU消息中的Port ID（交换机运行STP的Port ID）2Byte：1Byte优先级+1Byte接口编号（默认128）（普通交换机）16Byte：4/3Byte优先级+12/13Byte接口编号（数据中心交换机）

第三步：根端口选举/RP（根端口用于接收BPDU消息，在非根桥设备上，根端口有且只有一个，根端口是非根桥设备去往根桥最优路径的接口）；选举步骤如下：1、比较这些接口接收到的根桥BPDU消息中的Root ID2、比较这些接口接收到BPDU消息中的累加的根路径开销RPC （思科设备的cost值以带宽来计算的，如100M/19；1000M/4；10000M/2）3、比较这些接口接收到BPDU消息中的Bridge ID（转发者的Bridge ID）4、比较这些接口接收到BPDU消息中的Port ID（交换机运行STP接口的Port ID）2Byte：1Byte优先级+1Byte接口编号（取值0-254，默认128；普通交换机）16Byte：4/3Byte优先级+12/13Byte接口编号（数据中心交换机）5、比较交换机自身接口的Port ID运行STP的设备上端口状态有5种：Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态---DP\RPLearning：学习状态（过渡状态）。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路---DP\RPListening：侦听状态（过渡状态）。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量---DP\RPBlocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量---NDPDisabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量（一般情况下是被管理员禁用的端口）。生成树协议的收敛：1、根桥出现故障（非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举）在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送以自己为根桥的配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

2、直接拓扑变更（链路崩溃后要切换路径但是受影响的交换机依旧能实时接收根桥BPDU消息；如上图，SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口，SWB的预备端口会在30 秒后恢复到转发状态）。

3、间接拓扑变更（链路崩溃后导致某台非根桥无法通过任何端口接收根桥BPDU消息；如上图，拓扑变更后，SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒）。

细微拓扑变更：如上图，当主机A开关机时，交换机会认为拓扑发生变更，进行进行重新收敛；如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误（交换机依赖MAC地址表转发数据帧，缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒），因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项；在拓扑变化过程中，故障处的交换机通过发送TCN -BPDU报文（TCN拓扑变更通告）通知根交换机生成树拓扑里发生了故障，根交换机收到消息后会生成TC -BPDU（TC拓扑变更）用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项，将原300秒的老化时间变成15秒）。交换机B发送TCN -BPDU消息给根交换机交换机时，当交换机A收到了该消息后，会发送一个TCA -BPDU给交换机B，确认已经收到了该消息。注：这些收敛其实没有必要，会额外消耗链路带宽和CPU，建议把这个接口配置成快速端口portfast，快速端口可以直接从blocking直接到forwarding。生成树协议的版本：STP（IEEE 802.1D）特点：收敛速度慢、多厂商不兼容RSTP（IEEE 802.1W）特点：收敛速度块、多厂商不兼容MSTP（IEEE 802.1S）特点：收敛速度块、基于VLAN开启多个生成树进程在STP/RSTP模式下；华为使用的是CST（通用生成树协议,无视VLAN）；思科使用的是PVST+（基于VLAN的生成树），厂商间不兼容；在MSTP中，才可能兼容。STP的特性：→快速端口portfast：在连接PC的交换机接入接口启用；默认情况下当PC正常开机、关机时，交换机都会认为网络拓扑发生变更，进行重新收殓，虽然经过30秒的重新收殓，PC还是能正常上网；但这些收敛其实没有必要，会额外消耗链路带宽和CPU，建议把这个接口配置成快速端口portfast，启用portfast的接口不会因为PC正常开机、关机进行收殓，该接口永远是DP接口，可以直接从blocking直接到forwarding。→BPDU filter特性：当两台交换机之间使用启用portfast的接口互联时，可能会出现环路，此时可以在全局启用BPDU filter特性，接口portfast命令不会消失，但是该接口的portfast功能会失效，该接口就可以工作在正常模式下。→BPDU guard（防护）特性：可以在全局或者接口开启，开启BPDU guard以后，接口的portfast功能不会失效，但是该接口会被置为错误禁用状态error disable，并且会提示错误日志，更方便管理员进行故障检测。注：边缘端口也会发送BDPU消息，主要用于防环功能。→快速上行链路uplinkfast：在接入层交换机上启用uplinkfast，此时交换机会记录所有连接根桥的最优路径和备份路径，且该交换机的优先级和接口cost值会被增大3000；当最优路径down了，就可以立即将最优的备份路径切换为RP，接口状态从blocking直接到forwarding；同时接入层交换机会代理PC向上游交换机发送伪帧（载荷为空），实现MAC地址表的快速刷新。→快速骨干backbonefast：在直接拓扑变更的环境中，在三台交换机上都启用backbonefast特性，交换机间会建立backbonefast邻居；当收到次级BPDU消息时，会利用根路径查询协议RLQ向根桥发送查询消息确认根桥连通性，当收到根桥的确认消息后，会丢弃下游发送的次级BPDU并立即切换NDP为DP（30秒）→根防护root gard：在根桥的所有接口启用，当接口收到一个更优的BPDU时，会直接丢弃该BPDU并将接口置为root Inconsistent状态，还会进行日志提醒。→环路防护loop gard：在非根桥的NDP接口启用，在网络拥塞的环境中，当NDP接口在20秒内都没有收到根桥BPDU时，就会将接口置为环路不一致状态loop inconsistent（shutdown状态），这个时间会持续30秒，等待重新收到BPDU。→单项链路检测UDLD：用于检测交换机之间光纤的双向连通性；必须在链路两端启用，交换机之间会周期性（15秒）发送hello建立UDLD邻居，如果3倍hello时间没有收到hello消息：普通模式normal：UDLD可以检测单向链路，并标记端口为undetermined状态伴随着产生系统日志提醒。激进模式aggressive：UDLD可以检测到单向链路，并且会尝试重新连接链路，连续发送8秒的UDLD message，如果此间没有任何的UDLD echo应答，此端口会被放置于error disable状态，伴随着产生系统日志提醒。

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