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

為解決交換網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(luò)中出現(xiàn)環(huán)路，生成樹協(xié)議通過拓?fù)溆?jì)算，可實(shí)現(xiàn)：

• 消除環(huán)路：通過阻塞冗余鏈路消除網(wǎng)絡(luò)中可能存在的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)路。
• 鏈路備份：當(dāng)前活動(dòng)的路徑發(fā)生故障時(shí)，激活冗余備份鏈路，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性。

2. 生成樹協(xié)議的應(yīng)用場景

在一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者由于冗余備份的需要，一般都傾向于在設(shè)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(huì)形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，若網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路，可能會(huì)引起廣播風(fēng)暴和MAC表項(xiàng)被破壞。

生成樹典型應(yīng)用組網(wǎng)圖

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

二、STP機(jī)制原理詳解

1. STP相關(guān)概念

STP基本概念如下：

(1) 一個(gè)根橋

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

對(duì)于一個(gè)STP網(wǎng)絡(luò)，根橋在全網(wǎng)中只有一個(gè)，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定BID是由橋優(yōu)先級(jí)（Bridge Priority）與橋MAC地址構(gòu)成。BID橋優(yōu)先級(jí)占據(jù)高16位（默認(rèn)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(luò)中，橋ID最小的設(shè)備會(huì)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(jí)，低12位是端口號(hào)。

② 路徑開銷（Path Cost）描述了連接網(wǎng)絡(luò)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(jī)的根路徑開銷為零。其他交換機(jī)收到BPDU后，把報(bào)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(jī)的“遠(yuǎn)近”。

(3) 三要素選舉

從環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到樹形結(jié)構(gòu)，總體來說有三個(gè)要素：根橋、根端口和指定端口。

• 選舉一個(gè)網(wǎng)橋ID最?。ㄗ顑?yōu)）的交換機(jī)作為根網(wǎng)橋（Root Bridge）
• 每個(gè)非根交換機(jī)選擇一個(gè)根端口（Root  Port RP），即去往根橋路徑開銷最小的端口
• 每個(gè)交換網(wǎng)段選擇一個(gè)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(wù)流量，但會(huì)持續(xù)接收和偵聽BPDU

(4) 四個(gè)比較原則

STP選舉有四個(gè)比較原則，構(gòu)成消息優(yōu)先級(jí)向量：{ 根橋ID，根路徑開銷，發(fā)送設(shè)備BID，發(fā)送端口PID }，即配置BPDU報(bào)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(shè)備BID越小越好
• 如果根橋ID、根路徑開銷和發(fā)送設(shè)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(jí)比較都是“小優(yōu)”！

(5) 五種端口狀態(tài)

運(yùn)行STP協(xié)議的設(shè)備上端口狀態(tài)如下表所示：

2. STP報(bào)文格式

STP報(bào)文類型有2種：

• 配置BPDU：通常所說的BPDU報(bào)文多數(shù)指配置BPDU，它是一種心跳報(bào)文，只要端口使能STP，則配置BPDU就會(huì)按照Hello Time定時(shí)器規(guī)定的時(shí)間間隔從指定端口發(fā)出。
• TCN BPDU：在設(shè)備檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)才發(fā)出，指在下游拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)向上游發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ?，直到根?jié)點(diǎn)

3. STP的配置BPDU

STP的配置BPDU報(bào)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(bào)文頭。

這里注意，現(xiàn)在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都使用Ethernet V2格式，而交換機(jī)之間的BPDU則采用IEEE802.3 LLC格式封裝，兩者對(duì)比如下圖

在初始化過程中，每個(gè)橋都主動(dòng)發(fā)送配置BPDU。但在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定以后，只有根橋主動(dòng)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(gè)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(gè)參數(shù)和（Hello time、Forwarding delay、MAXage）這三個(gè)計(jì)時(shí)器。

STP有三個(gè)計(jì)時(shí)器影響端口狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)收斂：

(1) Hello time

• 根交換機(jī)發(fā)送配置BPDU的時(shí)間間隔，缺省2s
• 感知拓?fù)渥兓慕粨Q機(jī)發(fā)送TCN的時(shí)間間隔

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

(3) MAXage：交換機(jī)緩存的配置BPDU的老化時(shí)間，缺省20s

STP配置BPDU報(bào)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?fù)浒l(fā)生變化時(shí)向上游發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ?，直到根?jié)點(diǎn)。TCN BPDU在如下兩種情況下會(huì)產(chǎn)生（STP/RSTP/MSTP機(jī)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(fù)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(gè)字段：協(xié)議號(hào)、版本和類型，總長度只有4個(gè)字節(jié)，如下：

字段說明：

• Protocol Identifier：協(xié)議號(hào)為0
• Protocol Version Identifier：協(xié)議版本號(hào)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