STP，全稱Spanning Tree Protocol，它是開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI模型中第二層“數(shù)據(jù)鏈路層”最主要的協(xié)議之一。

圖片

生成樹協(xié)議誕生的背景  

在以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)中，為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，通常會使用冗余鏈路。但使用冗余鏈路在交換網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生環(huán)路，導(dǎo)致廣播風暴、MAC地址表不穩(wěn)定等故障現(xiàn)象，從而影響用戶通信質(zhì)量。STP 協(xié)議的作用就是通過阻塞冗余鏈路的端口，在交換網(wǎng)絡(luò)中防止環(huán)路的產(chǎn)生。

生成樹協(xié)議發(fā)展歷程  

STP協(xié)議最初由IEEE在1989年發(fā)布的IEEE 802.1D標準中定義。STP協(xié)議的缺點是收斂時間長，因此 IEEE 在2004年發(fā)布了IEEE 802.1w 標準，定義了快速生成樹協(xié)議 (Rapid Spanning Tree Protocol)。RSTP 協(xié)議的收斂時間比STP協(xié)議快得多，但仍然存在一些缺點。

為了解決STP和RSTP的缺點，在IEEE 802.1s的標準中再次定義了多生成樹協(xié)議 (Multiple Spanning Tree Protocol)。MSTP協(xié)議可以為不同VLAN創(chuàng)建不同的生成樹，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性。

STP、PVST、PVST+、RSTP 和 MSTP 之間的關(guān)系如下：

• STP 是生成樹協(xié)議的基礎(chǔ)，PVST、PVST+、RSTP 和 MSTP 都是基于 STP 協(xié)議的改進。
• PVST 和 PVST+ 是 Cisco 公司對 STP 協(xié)議的改進，可以為不同的 VLAN 創(chuàng)建不同的生成樹。
• RSTP 是 STP 協(xié)議的改進，收斂時間更短。
• MSTP 是 STP 協(xié)議的改進，可以為不同 VLAN 創(chuàng)建不同的生成樹，并且具有更好的性能和可靠性。

具體來說，STP 協(xié)議是單生成樹協(xié)議 (Single Spanning Tree)，它為整個網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個生成樹。STP 協(xié)議的缺點是收斂時間長，因此 Cisco 公司開發(fā)了 PVST 和 PVST+ 協(xié)議。PVST 和 PVST+ 協(xié)議都是基于 STP 協(xié)議的，但它們可以為不同的 VLAN 創(chuàng)建不同的生成樹。這可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性，但也增加了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。

RSTP 協(xié)議是快速生成樹協(xié)議 (Rapid Spanning Tree)，它可以縮短STP協(xié)議的收斂時間。RSTP協(xié)議的缺點是仍然是單生成樹協(xié)議，它不能完全解決STP協(xié)議的缺點。

MSTP 協(xié)議是多生成樹協(xié)議 (Multiple Spanning Tree)，它可以為不同 VLAN 創(chuàng)建不同的生成樹。因此，MSTP 協(xié)議是目前最先進的生成樹協(xié)議。

生成樹協(xié)議的原理  

STP執(zhí)行一種被稱為STA(Spanning-Tree Algorithm，生成樹算法)的算法，通過判斷網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路的地方并阻斷冗余鏈路。為了找到冗余鏈路， STA在網(wǎng)絡(luò)中選擇一個參考點，然后確定到該參考點的冗余路徑，這個參考點通常被稱為生成樹的根。如果STA發(fā)現(xiàn)存在冗余路徑，那么它將選擇到達根的最優(yōu)路徑（通常是開銷最小的路徑），同時阻斷所有其他冗余路徑。如果最優(yōu)路徑發(fā)生故障，那么之前被阻塞的端口將被激活，生成新的最優(yōu)路徑并參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。為了進一步說明生成樹是怎樣建立無環(huán)路徑的，我們先熟悉一些STP名詞：

根橋：生成樹的“樹根”，橋id最小的交換機。

非根交換機：除了根橋，其它的都是非根交換機。

根端口：離根橋最近的端口。每一個非根交換機都有一個根端口。

指定端口：除了根端口，所有參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的端口都是指定端口。根橋上所有的端口都是指定端口。

非根非指定端口：被阻塞的端口，也是我們理解的冗余鏈路的端口。

路徑開銷：到達根橋的過程中端口cost值的累計。端口cost值越小，路徑開銷越小，對應(yīng)的路徑就更優(yōu)。

橋ID：是由橋優(yōu)先級和橋MAC地址構(gòu)成。

端口ID：是由端口優(yōu)先級和端口號構(gòu)成。

STP的選舉過程  

一、選舉1個根網(wǎng)橋

每個VLAN中只能有1個網(wǎng)橋擔當根網(wǎng)橋。在根網(wǎng)橋上，所有的端口都擔當指定端口。指定端口不僅能夠發(fā)送和接收流量，還可以發(fā)送和接收配置消息或BPDU。根網(wǎng)橋是所有交換機用來確定網(wǎng)絡(luò)中是否存在環(huán)路的參考點。通過交換BPDU，交換機就知道誰的橋ID最小，誰就是根橋。

二、選擇所有非根網(wǎng)橋的根端口

根端口能夠發(fā)送和接收流量。如果非根網(wǎng)橋擁有到達根網(wǎng)橋的多條等價路徑，那么非根網(wǎng)橋?qū)⑦x擇連接到最低網(wǎng)橋ID的端口。如果等價路徑的所有網(wǎng)橋ID都是相同的，那么非根網(wǎng)橋?qū)⑦x擇具有最低端口ID(端口ID是局部有效的配置)的端口。

三、選擇各個網(wǎng)段的指定端口

在各個網(wǎng)段中，STP在網(wǎng)橋上建立一個指定端口，它到達根網(wǎng)橋的路徑開銷最低。如果出現(xiàn)路徑開銷相等的情況，那么橋ID就派上用場了。如果相同網(wǎng)橋上多個端口的開銷也相同，那么具有最低優(yōu)先級的端口將被選為指定端口。如果端口優(yōu)先級也相同，那么哪個端口的號最小就是誰。記住：生成樹協(xié)議中都是選最低（最?。┑?，不管是ID、優(yōu)先級還是端口號。非根非指定端口只能夠接收流量，但不能參與轉(zhuǎn)發(fā)，就是為了避免環(huán)路。

STP 協(xié)議會不斷地監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲，并根據(jù)需要調(diào)整邏輯樹。如果網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化，STP 可能會將某些鏈路從活動狀態(tài)更改為阻塞狀態(tài)，或者將某些鏈路從阻塞狀態(tài)更改為活動狀態(tài)。

日常配置STP的注意事項  

為了能夠在分布層和接入層的交換機之間轉(zhuǎn)發(fā)流量，我們通常選擇位于中心位置的交換機或核心交換機作為主根網(wǎng)橋，這些交換機具有充足的CPU資源和交換能力。在主根網(wǎng)橋或當前根網(wǎng)橋發(fā)生故障的時候，將選擇備份或輔助根網(wǎng)橋。這種選擇過程應(yīng)當提前規(guī)劃好，確保：即使主根網(wǎng)橋發(fā)生故障，新的根網(wǎng)橋仍然位于中心位置，并且具有接管主交換機角色的足夠CPU資源和交換能力。在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，一般要求備份根網(wǎng)橋和主交換機具有相同的能力。如果滿足上述要求，即使主根網(wǎng)橋發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)性能也不會受到太大的影響。