STP 概念、配置

·在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障，所谓单点失效，指的是由于网络中某一台设备的故障，而影响整个网络的通信。为了避免单点失效，提高网络的可靠性，可以通过构建一个冗余拓扑来解决。但是，一个冗余的拓扑，又会给我们的网络造成环路，而产生其它的影响。为了解决二层环路问题，而设计了SPT协议。

·当2个Segment之间，只有一个物理设备连接时，就有可能“单点失效”。

·Segment:(段的概念)

1.STP：一段网络介质(网线/光纤)。 2.数据封装：携带4层报头的用户数据。 3.路由：一个逻辑子网。

·避免单点失效的方法就是构造冗余网络。

·但冗余网络会导致新的问题： 1.多帧复制

2.MAC地址表的翻动 3.广播风暴

·STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。

STP通过判断网络中存在环路的地方，并阻断冗余链路来实现无环网络。

·STP采用STA（Spanning Tree Arithmetic）算法。

STA会在冗余链路中选择一个参考点（生成树的根），将选择到达要的单条路径，同时阻断其他冗余路径。一旦已选路径失效，将启用其他路径。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit)

·STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的，BPDU是直接封装在以太网帧中的。

·对于参与STP的所有SW，它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息，这种消息就被称为BPDU。

·BPDU是直接封装在二层的协议，其MAC地址最后封装数为：00。（01:80:c2:00:00:00）

·BPDU的功能： 1.选举根桥

2.确定冗余路径的位置

3.通过阻塞特定端口来避免环路

4.通告网络的拓扑变更 5.监控生成树的状态

·BPDU每2S由根桥发送一次。

最初的网络，每个SW都认为自己是根桥，都会发送BPDU，比较Lowest BID，选举出一个根桥，当根桥选出来以后。此时就只有根桥发送BPDU。非根桥只进行转发。

BPDU分两种类型：

1、配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出，包括了STP参数，用于进行各种选举。

2、TCN（topology change notification 拓扑变更通告）BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。

·配置BPDU包含以下的字段

1、Protocol ID : 固定为0 2、Version : 802.1D (0)

3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80) 4、Flags 5、Root ID

6、Cost of Path 7、Bridge ID 8、Port ID

9、Message age 10、Max age 11、Hellotime

12、Forward delay

·TCN（Topology Change Notification) BPDU

这种BPDU是交换机检测到拓扑变更时产生的。只包含下列三个字段

1、Protocol ID 2、Version

3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)

＜STP的4大工作流程＞（STP里选举参数都是越小越优）

 One root bridge per network  One root port per nonroot bridge  One designated port per segment

 Nondesignated ports are blocked

 One root bridge per network（每个网络只有一个根桥）

·根桥的选举：Lowest BID （最小的BID）

·STP为每台SW分配唯一的一个标识符，称为BID（Bridge ID）。 BID的组成：2（Bridge Priority优先级）＋6（MAC）＝8 Bytes 默认Priority：32768（0x8000）

2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号，因为CISCO默认启用PVST

每个交换机都有一个基准的MAC地址，用下面的命令可以看到 Sw2#show version

Base ethernet MAC Address: 00:0D:28:61:35:00

交换机的每一个端口都有一个MAC地址，就是以Base（基准） MAC地址加上端口号得到的。

Show interface f0/1 这一命令可以看到交换机端口的MAC地址

查看STP信息--

Sw2#show spanning-tree

Sw3# show spanning-tree brief(低版本用)2900以下的交换机用这一命令

·PVST(Per Vlan Stp)

Cisco SW 默认为每个VLAN生成一个STP，互不影响。

由于是为不同的VLAN生成不同的生成树。所以每一台交换机需要为不同的VLAN生成一个不同的桥优先级，所以在CISCO交换机上，交换机在每一个VLAN中的优先级是默认的32768再加上VLAN的号码。

可通过以下命令指定一台交换要为根桥：

Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 root primary （24576=0x6000) (建立优先级，成为根桥)

Sw2(config)#spanning-tree vlan 1-10 root secondary (28672=0x7000) (备份根桥，防止优先级根桥showdown了)

Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 priority 4096

（设置必须是4096的倍数）

 One root port per nonroot bridge（每个非根桥都要选出一个根端口），在自己的众多接口中选一个port。在收到BPDU 中选择最小cost的port。

·根端口（RP）：每个非根桥有且只有一个根端口

选举RP/DP的方法：

1.Lowest RID(最小的RID) 是SW1（根桥）的BID

2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销） 3.lowest sender BID (最小的发送BID)

4.Lowest sender port ID 当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选

·Path Cost:根桥发出的COST值是0，在下一交换机的入口处才加上COST值，出口处COST值不变。

10Mbps：100/ 100Mbps：19/ 1Gbps：4/ 10Gbps：2

Sw1#show interfaces status Sw1#show spanning-tree

Sw1(config-if)#spanning-tree (vlan 1) cost 22 每个VLAN都能生成一个自已的生成树，通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根端口，产生不同的生成树，充分利用了链路

Sw1(config-if)#spanning-tree cost 22 修改所有Vlan的Cost值

Port ID是由优先级+端口号组成 修改端口优先级：默认情况下是128

Sw1(config-if)#spanning-tree port-priority 16 注意：必须是16的倍数才行

 One designated port per segment（每个Segment只有一个指定端口）  指定端口是自己port和对方交换机port比。  自己转发的BPDU cost和对方发的cost对比。

选举RP/DP的方法：

1.Lowest RID(最小的RID) 是SW1（根桥）的BID

2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销） 3.lowest sender BID (最小的发送BID) 4.Lowest sender port ID

·根桥的所有端口都是指定端口（DP）。

 Nondesignated ports are blocked（非指定端口将被堵塞）

·最后，既不是根端口，又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口，这些端口将被block掉。从而达到防环的目的。

＜生成树的收敛＞

当网络出现故障导致拓朴发生变化时，生成树要进行收敛，在收敛过程中，一个block接口变到forward状态时会经历以下四种状态变化。

生成树端口状态：

1、blocking--阻塞状态，不转发帧，监听流入的BPDU，不学习MAC地址 2、listening--监听状态，不转发帧，不学习MAC地址，能够决定端口角色 3、learning--学习状态，不转发帧，能学习MAC地址 4、forwarding--转发状态，能够进行正常的帧转发

当拓扑发生变化时，端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S 如果是直连接口down掉，端口状态过渡最大需要30S 如果是非直连故障，最大需要50S

＜二层MAC地址表的收敛＞

注意：在网络拓朴发生改变后，不仅会有STP的收敛，还会导致二层MAC地址表的收敛。

·当发生如下事件时，SW会发送TCN： 1.链路故障（FWD -> BLK）

2.端口进入转发状态，并且SW已经拥有DP 3.非根桥从它的DP接收到TCN，并将其转发

MAC地址表的收敛过程如下：

1、拓扑发生改变的交换机向RP端口发出TCN的BPDU

2、上级交换机做两件事：先回应一个TCA置位的BPDU，再继续向自已的RP接口发出TCN的BPDU

3、TCN的BPDU就这样一跳跳的传到根交换机上

4、然后根交换机将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为转发延迟时间(15S)。

5、根交换机再向网络中发出TC置位的BPDU

6、网络中的其他交换机收到TC置位的BPDU后，也将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为15S。

这样，每台交换机就快速的老化了MAC地址表，清除掉了已经失效的MAC地址条目。

＜BPDU Timer＞

三个计时器：

·Message Age：最大存活时间（20S）

Hello Time:根桥连续发送BPDU的间隔（2S）

Forward Time:SW在监听和学习状态所停留的时间（15S）

spanning-tree vlan 1-10 hello-time 3 修改发送BPDU的时间间隔 spanning-tree vlan 1-10 forward-time 13 修改forward时间 spanning-tree vlan 1-10 max-age 33 修改最大存活时间

注意：必须在根桥上修改，否则不起作用。

1．老化时间（blocking）（loss of BPDU detected）max age=20s 2. 监听时间（listening）forward delay=15s 3．学习时间（learning）forward delay=15s

监听BPDU 学习MAC 帧转发 Blocking √ × ×

Listening √ × ×（选举Root/RP/DP） Learning √ √ × Forwarding √ √ √

＜STP和802.1Q＞

·CISCO交换机上，在采用802.1Q的Trunk中，SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。 （PVST）

·对于不支持802.1Q的SW，所有VLAN维护一个STP。(SSTP)

·在交换网络中，STP是始终运行的，如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。

Per VLAN Spanning Tree

优点：1.基于Vlan的负载均衡；

缺点：1.BPDU是基于Vlan 的基础上运行的；

＜STP的一些增强特性＞

·802.1D STP设计初衷：网络中断后能够在1分钟之内(Max=50S)恢复。

伴随着LAN出现3层交换，很多的路由协议（OSPF/EIGRP）都能在几秒之内收敛。

·Cisco为加快收敛时间，提出了一些私有的优化特性来加速STP的收敛： 1、PortFast 2、UpLinkFast 3、BackboneFast

·PortFast：

能够让2层的接入端口(接host)跳过LIS/LRN状态立即进入FWD。30S->0S 基于接口，用于接非交换机接口，不要设置在接SW的端口。

Sw1#show spanning-tree

Type: Edge [Shr/P2p]

测试：把交换机的端口shut down，再no shut down,观察状态。启用前和启有后是不一样的。

Sw1(config)#spanning-tree portfast default （所有access接口启用）全局下用

一般用在接入层的交换机上。

Sw1(config-if)#spanning-tree portfast 接口下单独启用

Sw1(config-if)#spanning-tree portfast disable (某个口禁用，通常是连接另一台交换机的口）

·UplinkFast：

在接入层SW上配置，用于检测直连到分布层SW的链路故障，并加速STP的收敛速度。

也可以在分布层交换机上配置，用于检测直连到核心层交换机的链路故障 30S->0S

Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast

（Uplinkfast是一个全局命令，将影响SW上的所有VLAN）

Debug spanning-tree events

测试：将有效链路口shutdown，原来BLK口立即转发，

·Uplinkfast将网桥PRI增加到49152，将端口Cost增加3000 使SW不能成为Root。所以一般配置在接入层SW。

Sw2#show spanning-tree

........ Uplinkfast enabled

Sw2#show spanning-tree uplinkfast 可以看到哪些接口成为备份

Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast max-update-rate 200 （每秒所发包的数目，默认值150）

·BackboneFast：

BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。用于检测主干SW间的链路故障。（50S -> 30S）

·要求BackboneFast应用在所有SW上。

当交换机检测到次级BPDU后，将使用替代路径发送RLQ BPDU（根链路查询BPDU），RLQ BPDU通过中间交换机向根交换机传播，并且根交换机将最终响应。

Sw1（config）#spanning-tree backbonefast Sw1