本期給大家分享STP生成樹協(xié)議詳解問答。

一、生成樹協(xié)議基本介紹

1. 生成樹的定義和目的

以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡中為了進行鏈路備份，提高網(wǎng)絡可靠性，通常會使用冗余鏈路。但是使用冗余鏈路會在交換網(wǎng)絡上產(chǎn)生環(huán)路，引發(fā)廣播風暴以及MAC地址表不穩(wěn)定等故障現(xiàn)象，從而導致用戶通信質(zhì)量較差，甚至通信中斷。

為解決交換網(wǎng)絡中的環(huán)路問題，提出了生成樹協(xié)議STP（Spanning Tree Protocol）。生成樹協(xié)議演進如下：

生成樹協(xié)議中，MSTP兼容RSTP、STP，RSTP兼容STP。三種生成樹協(xié)議的比較如下表所示。

生成樹協(xié)議目的：

在以太網(wǎng)交換網(wǎng)中部署生成樹協(xié)議后，如果網(wǎng)絡中出現(xiàn)環(huán)路，生成樹協(xié)議通過拓撲計算，可實現(xiàn)：

• 消除環(huán)路：通過阻塞冗余鏈路消除網(wǎng)絡中可能存在的網(wǎng)絡通信環(huán)路。
• 鏈路備份：當前活動的路徑發(fā)生故障時，激活冗余備份鏈路，恢復網(wǎng)絡連通性。

2. 生成樹協(xié)議的應用場景

在一個復雜的網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡規(guī)劃者由于冗余備份的需要，一般都傾向于在設備之間部署多條物理鏈路，其中一條作主用鏈路，其他鏈路作備份。這樣就難免會形成環(huán)形網(wǎng)絡，若網(wǎng)絡中存在環(huán)路，可能會引起廣播風暴和MAC表項被破壞。

生成樹典型應用組網(wǎng)圖

如上圖，在網(wǎng)絡中部署STP協(xié)議，通過彼此交互信息發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的環(huán)路，并有選擇的對某個端口進行阻塞，最終將環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)修剪成無環(huán)路的樹形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而防止報文在環(huán)形網(wǎng)絡中不斷增生和無限循環(huán)，避免設備由于重復接收相同的報文造成處理能力下降。

二、STP機制原理詳解

1. STP相關(guān)概念

STP基本概念如下：

(1) 一個根橋

樹形的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)必須有樹根，于是STP引入了根橋（Root Bridge）概念。

對于一個STP網(wǎng)絡，根橋在全網(wǎng)中只有一個，它是整個網(wǎng)絡的邏輯中心，但不一定是物理中心。

(2) 兩種度量

生成樹的生成計算有兩大基本度量依據(jù)：ID和路徑開銷。

① ID，又分為：BID（Bridge ID）和PID（Port ID）。

BID：橋ID。IEEE 802.1D標準中規(guī)定BID是由橋優(yōu)先級（Bridge Priority）與橋MAC地址構(gòu)成。BID橋優(yōu)先級占據(jù)高16位（默認為32768，須為4096的整數(shù)倍，范圍0-61440），其余的低48位是MAC地址。在STP網(wǎng)絡中，橋ID最小的設備會被選舉為根橋。

PID：端口ID。PID由兩部分構(gòu)成的，高4位是端口優(yōu)先級，低12位是端口號。

② 路徑開銷（Path Cost）描述了連接網(wǎng)絡的端口 的“優(yōu)劣”，端口類型和帶寬決定了該端口的路徑開銷，根交換機的根路徑開銷為零。其他交換機收到BPDU后，把報文中的根路徑開銷加上接收端口路徑開銷，得到該端口的“根路徑開銷”（Root Path Cost），根路徑開銷反映了某端口到根交換機的“遠近”。

(3) 三要素選舉

從環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)到樹形結(jié)構(gòu)，總體來說有三個要素：根橋、根端口和指定端口。

• 選舉一個網(wǎng)橋ID最小（最優(yōu)）的交換機作為根網(wǎng)橋（Root Bridge）
• 每個非根交換機選擇一個根端口（Root  Port RP），即去往根橋路徑開銷最小的端口
• 每個交換網(wǎng)段選擇一個除根端口之外的轉(zhuǎn)發(fā)端口—指定端口（Designated Port  DP），用于發(fā)送配置BPDU
• 堵塞其他（非根非指定端口）端口，該端口不轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務流量，但會持續(xù)接收和偵聽BPDU

(4) 四個比較原則

STP選舉有四個比較原則，構(gòu)成消息優(yōu)先級向量：{ 根橋ID，根路徑開銷，發(fā)送設備BID，發(fā)送端口PID }，即配置BPDU報文的比較如下：

• 先比較根橋ID，越小越好
• 如果根橋ID相等，根路徑開銷越小越好
• 如果根橋ID和根路徑開銷相等，發(fā)送設備BID越小越好
• 如果根橋ID、根路徑開銷和發(fā)送設備BID相等，發(fā)送端口PID越小越好

記住生成樹協(xié)議所有優(yōu)先級比較都是“小優(yōu)”！

(5) 五種端口狀態(tài)

運行STP協(xié)議的設備上端口狀態(tài)如下表所示：

2. STP報文格式

STP報文類型有2種：

• 配置BPDU：通常所說的BPDU報文多數(shù)指配置BPDU，它是一種心跳報文，只要端口使能STP，則配置BPDU就會按照Hello Time定時器規(guī)定的時間間隔從指定端口發(fā)出。
• TCN BPDU：在設備檢測到網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時才發(fā)出，指在下游拓撲發(fā)生變化時向上游發(fā)送拓撲變化通知，直到根節(jié)點

3. STP的配置BPDU

STP的配置BPDU報文被封裝在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，特征為：

目的MAC是組播MAC：01-80-C2-00-00-00，Length/Type字段為MAC數(shù)據(jù)長度，后面是LLC頭，LLC之后是BPDU報文頭。

這里注意，現(xiàn)在大多數(shù)網(wǎng)絡應用都使用Ethernet V2格式，而交換機之間的BPDU則采用IEEE802.3 LLC格式封裝，兩者對比如下圖

在初始化過程中，每個橋都主動發(fā)送配置BPDU。但在網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定以后，只有根橋主動發(fā)送配置BPDU，其他橋在收到上游傳來的配置BPDU后，才觸發(fā)發(fā)送自己的配置BPDU。

配置BPDU的長度至少要35個字節(jié)，主要攜帶（根網(wǎng)橋ID 、根路徑開銷、發(fā)送網(wǎng)橋ID、發(fā)送端口ID）這四個參數(shù)和（Hello time、Forwarding delay、MAXage）這三個計時器。

STP有三個計時器影響端口狀態(tài)和網(wǎng)絡收斂：

(1) Hello time

• 根交換機發(fā)送配置BPDU的時間間隔，缺省2s
• 感知拓撲變化的交換機發(fā)送TCN的時間間隔

(2) Forwaring delay：端口在listening或learning狀態(tài)停留的時間，缺省15s

(3) MAXage：交換機緩存的配置BPDU的老化時間，缺省20s

STP配置BPDU報文基本格式如下圖所示：

參數(shù)表格詳解：

4. STP的TCN BPDU

TCN BPDU是指在下游拓撲發(fā)生變化時向上游發(fā)送拓撲變化通知，直到根節(jié)點。TCN BPDU在如下兩種情況下會產(chǎn)生（STP/RSTP/MSTP機制均一致）：

• 端口狀態(tài)變?yōu)镕orwarding狀態(tài)。
• 指定端口收到TCN BPDU，復制TCN BPDU并發(fā)往根橋。

STP的TCN BPDU內(nèi)容比較簡單，只有表1中列出的前3個字段：協(xié)議號、版本和類型，總長度只有4個字節(jié)，如下：

字段說明：

• Protocol Identifier：協(xié)議號為0
• Protocol Version Identifier：協(xié)議版本號為0，表示為STP（2是RSTP，3是MSTP）
• BPDU Type：類型字段均是固定值0x80，表示為TCN BPDU