STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写。该协议可应用于在网络中建立树形拓扑，消除网络中的环路，并且可以通过一定的方法实现路径冗余，但不是一定可以实现路径冗余。生成树协议适合所有厂商的网络设备，在配置上和体现功能强度上有所差别，但是在原理和应用效果是一致的。
生成树协议的主要功能有两个：一是在利用生成树算法、在以太网络中，创建一个以某台交换机的某个端口为根的生成树，避免环路。二是在以太网络拓扑发生变化时，通过生成树协议达到收敛保护的目的。
为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。
学习目标：
1. 掌握STP的工作原理
2. 掌握STP的基本配置
环路引起的问题
随着局域网规模的不断扩大,越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如果交换机之间仅使用一条链路互连,则可能会出现单点故障, 导致业务中断。为了解决此类问题,交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。
冗余链路虽然增强了网络的可靠性,但是也会产生环路,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。
广播风暴
根据交换机的转发原则,如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧,或者是一个目的MAC地址未知的单播帧,则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路,则这个帧会被无限转发,此时便会形成广播风暴,网络中也会充斥着重复的数据帧。
本例中,主机A向外发送了一个单播帧,假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后,将其转发到SWA和SWC,SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口,结果此帧又会被再次转发给SWB,这种循环会一 直持续,于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降,并会导致业务中断。
MAC地址表震荡
交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。
主机A向外发送一个单播帧,假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后,在 MAC地址表中生成一个MAC地址表项,00-01-02-03-04-AA,对应端口为G0/0/3,并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1 端口转发此帧为例进行说明。
SWA接收到此帧后,由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项,所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。
SWC接收到此帧后,由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项,所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB,也会发给主机B 。
SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后,会在MAC地址表中删除原有的相关表项,生成一个新的表项,00-01-02-03-04-AA,对应端口为 G0/0/2。此过程会不断重复,从而导致MAC地址表震荡。
STP工作原理
STP的作用
在以太网中,二层网络的环路会带来广播风暴,MAC地址表震荡,重复数据帧等问题,为解决交换网络中的环路问题,提出了STP。
STP的主要作用:
1. 消除环路:通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
2. 链路备份:当活动路径发生故障时,激活备份链路,及时恢复网络连通性。
STP操作
STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。
每个STP网络中,都会存在一个根桥,其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部,是STP网络的逻辑中心,非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时,非根桥之间会交互信息并重新选择根桥,交互的这种信息被称为BPDU。BPDU中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息,后面会有详细介绍。
STP中定义了三种端口角色:* 指定端口,根端口和预备端口*。 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口,每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下,根桥的每个端口总是指定端口。
根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口,但根桥上没有根端口。
如果一个端口既不是指定端口也不是根端口,则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。
根桥选举
STP中根桥的选举依据的是桥ID,STP中的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。在STP网络中,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。
交换机启动后就自劢开始进行生成树收敛计算。默认情况下,所有交换机启动时都认为自己是根桥,自己的所有端口都为指定端口,这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后, 会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低,接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高,则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段,宣告新的根桥。
根端口选举
非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID (Bridge ID)、对端PID(Port ID)和本端PID。
交换机的每个端口都有一个端口开销(Port Cost)参数,此参数表示该端口发送数据时的开销值,即出端口的开销。STP认为从一个端口接收数据是没有开销的。端口的开销和端口的带宽有关,带宽越高,开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条,每一条路径都有一个总的开销值,此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和,即根路径开销RPC(Root Path Cost)。非根桥根据根路径开销来确定到达根桥的最短路径,并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。
一般情况下,企业网络中会存在多厂商的交换设备,华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准,提供最大程度的兼容性。缺省情况下,华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。
运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID,端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240,步长为16,即取值必须为16的整数倍。缺省情况下,端口优先级是128。端口ID(port ID)可以用来确定端口角色。
每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口,这个最近的衡量标准是靠累计根路径开销来判定的,即累计根路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后,抽取该BPDU报文中累计根路径开销字段的值,加上该端口本身的路径开销即为累计根路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计根路径开销相同, 那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。
如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上,则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上,则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。
指定端口选举
在网段上抑制其他端口(无论是自己的还是其他设备的)发送BPDU报文的端口,就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口, 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)。
指定端口的选举也是首先比较累计根路径开销,累计根路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计根路径开销相同,则比较端口所在交换机的桥ID,所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计根路径开销和所在桥ID选举出来,则比较端口ID,端口ID最小的被选举为指定端口。
网络收敛后,只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口,被阻塞,不能转发数据,只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文,并以此来监视链路的状态。
端口状态
图中所示为STP的端口状态迁移机制,运行STP协议的设备上端口状态有5种:
1. 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。
2. Learning:学习状态。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。
3. Listening:侦听状态。端口可以转发BPDU报文,但不能转发用户流量。
4. Blocking: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。此状态是预备端口的最终状态。
5. Disabled:禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文,也不转发用户流量。
BPDU
为了计算生成树,交换机指间需要交换相关的信息和参数,这些信息和参数被封装在BPDU(Bridge Protocol Data Unit)中。
BPDU有两种类型:配置BPDU和TCN BPDU。
1. 配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机指间传递配置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,每个桥都主动发送配置BPDU 。在网络拓扑稳定以后,只有根桥主动发送配置BPDU,其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后,才会发送自己的配置BPDU。
2. TCN BPDU是指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中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算,其中包含的重要信息如下:
根桥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。
根路径开销:到根桥的最短路径开销。
指定桥ID:由指定桥的优先级和MAC地址组成。 指定端口ID:由指定端口的优先级和端口号组成。
Message Age:配置BPDU在网络中传播的生存期。
* Max Age*:配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
Hello Time:配置BPDU发送的周期。
Forward Delay:端口状态迁移的延时。
计时器
STP协议中包含一些重要的时间参数,这里举例说明如下:
1. Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔,用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文,以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后,该值只有在根桥上修改才有效。
2. Message Age:如果配置BPDU是根桥发出的,则Message Age为0 。否则,Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间,包括传输延时等。实际实现中,配置BPDU报文每经过一个交换机,Message Age增加1。
3. Max Age是指BPDU报文的老化时间,可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递,可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后,会将报文中的 Message Age和Max Age进行比较:如果Message Age小于等于 Max Age,则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果 Message Age大于Max Age,则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU,并认为是网络直径过大,导致了根桥连接失败。
STP拓扑变化
根桥故障
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。
直接链路故障
此例中,SWA和SWB使用了两条链路互连,其中一条是主用链路,另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后,如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障,则其Alternate端口会迁移到Listening、 Learning、 Forwarding状态,经过2倍的Forward Delay后恢复到转发状态。
非直接链路故障
本例中,SWB不SWA之间的链路发生了某种故障(非物理层故障), SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。此时,SWB会认为根桥SWA不再有效,于是开始发送BPDU报文给SWC,通知SWC自己作为新的根桥。SWC也会继续从原根桥接收BPDU报文,因此会忽略SWB 发送的BPDU报文。由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥 ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后,SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。SWB放弃宣称自己是根桥并开始收敛端口为根端口。非直连链路故障后,由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间,端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。
拓扑改变导致MAC地址表错误
在交换网络中,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。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,因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。
本例中,SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3 可以到达主机A,通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障,导致生成树拓扑重新收敛,在生成树拓扑完成收敛之后,从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒,主机A发往主机B的帧到达SWB后,SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。
拓扑改变导致MAC地址表变化
拓扑变化过程中,根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下:
1. SWC感知到网络拓扑发生变化后,会不间断地向SWB发送TCN
BPDU报文。
2. SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后,会把配置BPDU报文中的 Flags的TCA位设置1,然后发送给SWC,告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
3. SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
4. SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送,通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forwarding Delay的时间(默认为15秒)。
5. 最多等待15秒之后,SWB中的错误映射关系会被自动清除。此后, SWB就能通过G0/0/2端口把从主机A到主机B的帧正确地进行转发。
STP的配置
STP模式
华为X7系列交换机支持三种生成树协议模式。
stp mode { mstp | stp | rstp }命令用来配置交换机的生成树协议模式。 缺省情况下,华为X7系列交换机工作在MSTP模式。在使用STP前, STP模式必须重新配置。
配置交换机优先级
基于企业业务对网络的需求,一般建议手动指定网络中配置高、性能好的交换机为根桥。
可以通过配置桥优先级来指定网络中的根桥,以确保企业网络里面的数据流量使用最优路径转发。
stp priority priority命令用来配置设备优先级值。priority值为整数,取值范围为0到61440,步长为4096。缺省情况下,交换设备的优先级取值是32768。另外,可以通过stp root primary命令指定生成树里的根桥。
配置路径开销
华为X7系列交换机支持三种路径开销标准,以确保和友商设备保持兼容 。缺省情况下,路径开销标准为IEEE 802.1t。
stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }命令用来配置指定交换机上路径开销值的标准。
每个端口的路径开销也可以手动指定。此STP路径开销控制方法须谨慎使用,手动指定端口的路径开销可能会生成次优生成树拓扑。
stp cost cost命令取决于路径开销计算方法:
1. 使用华为的私有计算方法时,cost取值范围是1~200000。
2. 使用IEEE 802.1d标准方法时,cost取值范围是1~65535。
3. 使用IEEE 802.1t标准方法时,cost取值范围是1~200000000。
配置验证
display stp命令用来检查当前交换机的STP配置。命令输出中信息介绍如下。
CIST Bridge参数标识指定交换机当前桥ID,包含交换机的优先级和MAC地址。
Bridge Times参数标识Hello定时器、Forward Delay定时器、Max Age 定时器的值。
CIST Root/ERPC参数标识根桥ID以及此交换机到根桥的根路径开销。
display stp命令显示交换机上所有端口信息;display stp interface interface命令显示交换机上指定端口信息。其他一些信息还包括端口角 色、端口状态、以及使用的保护机制等。
总结：
1. 根桥产生故障后，其他交换机会被选举为根桥，那么原来的根桥恢复正常之后，网络又会发生什么变化呢？
2. 路径开销和根路径开销的区别是什么？
答：
1. 如果生成树网络里面根桥发生了故障,则其它交换机中优先级最高的交换机会被选举为新的根桥。如果原来根桥再次激活,则网络又会根据BID来重新选举新的根桥。
2. 根路径开销是到根桥的路径的总开销,而路径开销指的是交换机端口的开销。