第12章_生成树

生成树协议：802.1d STP(慢，拓扑收敛需要30-50s)
快速生成树协议802.1w RSTP(快，6s内完成收敛)
多生成树协议802.1s MSTP(实现多个VLAN负载均衡)

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生==环路==，引发==广播风暴==以及==MAC地址表不稳定==等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了==生成树协议STP==（Spanning Tree Protocol）。
运行STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个接口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。
RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充，实现了网络拓扑快速收敛。

1.技术背景

1.1二层交换网络

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。

1.2二层&三层环路

常见环路主要分为二层环路和三层环路。
- 二层环路主要因为网络中部署了二层冗余环境，或人为的误接线缆导致，可以通过借助特定的协议或机制实现二层防环；
- 三层环路主要因为路由环路，可以通过动态路由协议防环和IP报文头部中的TTL字段用于防止报文被无止尽地转发。

1.2广播风暴

BUM帧（Broadcast，Unknown unicast，Multicast）指定：
广播、
DMAC未知的单播帧
组播帧

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。

1.3MAC地址漂移

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。
00-01-02-03-04-AA地址会不断地在GE0/0/1与GE0/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。

2.STP

2.1STP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：
- ==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。
- ==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。

2.2STP的应用位置

生成树协议应用于园区网络的二层网络中，进行链路备份和消除环路。

2.3STP基本概念

选举一个根桥
每个非根交换机选举一个根端口
每个网段选举一个指定端口
阻塞非根、非指定端口

2.3.1桥ID

在STP中，每一台交换机都有一个标示符，叫做Bridge ID或者桥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==,可以修改但是修改值必须为==1024的倍数==。
优先级最高的设备（数值越小越优先）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。
如图，需要在该网络中选举根桥，首先比较三台交换机的桥优先级，桥优先级都为4096，再比较三台交换机的MAC地址，谁小谁优先，最终选择SW1为根桥。

2.3.2根桥

树形的网络结构必须有树根，于是STP引入了根桥（Root Bridge）概念。
对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。
网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。

2.3.3Cost

交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。
华为交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供多厂商场景下最大程度的兼容性。缺省情况下，华为交换机使用==IEEE 802.1t==标准来计算路径开销。

Cost计算方法：

接口Cost是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值，该值存在默认值，与接口的速率有关联，并且设备使用不同的算法时，相同的接口速率对应不同的Cost值。

2.3.4RPC

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接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。
非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC，并生成无环树状网络。
根桥的根路径开销是0。

2.3.5Port ID

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可以用来确定端口角色。

2.3.6BPDU

BPDU：Bridge Protocol Data Unit －桥协议数据单元，STP工作协议
BPDU包含桥ID、路径开销、端口ID、计时器等参数。
使用组播：==01-80-C2-00-00-00==

为了计算生成树，交换机之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中。
BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。
==配置BPDU==
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。
发送周期为Hello Time。
老化时间为Max Age。
==TCN BPDU==
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协议通过在交换机之间传递配置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。
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的报文格式：

配置BPDU的比较原则：

STP操作：
选举一个根桥。
每个非根交换机选举一个根端口。
每个网段选举一个指定端口。
阻塞非根、非指定端口。
STP中定义了三种端口角色：
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。

配置BPDU的转发过程：

交换机在刚启动时都认为自己是根桥，互相发送配置BPDU进行STP运算。

2.4STP的计算过程

根端口：既可以接收和发送BPDU，也可以转发用户数据帧。
指定端口：既可以接收和发送BPDU，也可以转发用户数据帧。
非指定端口：可以接收并处理BPDU。

2.4.1根桥选举

STP在交换网络中开始工作后，每个交换机都会向网络中发送配置BPDU。配置BPDU中包含交换机自己的桥ID。
网络中拥有==最小桥ID==的交换机成为根桥
在一个连续的STP交换网络中只会存在一个根桥。
==根桥的角色是可抢占的==。
为了确保交换网络的稳定，建议提前规划STP组网，并将规划为根桥的交换机的桥优先级设置为最小值0。

什么是根桥？
根桥是STP树的根节点。
要生成一棵STP树，首先要确定出一个根桥。
根桥是整个交换网络的逻辑中心，但不一定是它的物理中心。
当网络的拓扑发生变化时，根桥也可能发生变化。（抢占）
选举过程：
STP交换机初始启动之后，都会认为自己是根桥，并在发送给其他交换机的BPDU中宣告自己为根桥。因此，此时BPDU中的根桥ID为各自设备的网桥ID。
当交换机收到网络中其他设备发送来的BPDU后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的BID。
交换机不断交互BPDU，同时对BID进行比较，最终选举一台BID最小的交换机作为根桥，其他的则为非根桥。
如图：根桥的选举先比较优先级，交换机SW1、2、3的优先级相等，则比较MAC地址，也优选最小的，所以SW1的BID最小，因此SW1为根桥，SW2和SW3为非根桥。
注意：根桥的角色可抢占。当有更优的BID的交换机加入网络时，网络会重新进行STP计算，选出新的根桥。

2.4.2根接口选举

在每台非根桥上选举一个根接口

每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个接口。
非根桥交换机上有且只会有一个根接口。
当非根桥交换机有多个接口接入网络中时，根接口是其收到最优配置BPDU的接口。
可以形象地理解为，根接口是每台非根桥上“朝向”根桥的接口。

什么是根端口？
一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口”的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。
在选举出根桥后，根桥仍然持续发送BPDU，而非根桥将持续不断的收到根桥发送的BPDU。因此，在所有非根桥上选举一个距离根桥“最近”的端口（根端口），在网络收敛后，根端口将不断的收到来自根桥的BPDU。
即：根端口保证了交换机与根桥之间工作路径的唯一性和最优性。注意：一个非根桥设备上，最多只能有一个根端口。
选举过程：
交换机有多个端口接入网络，各个端口都会收到BPDU报文，报文中会携带“RootID、RPC、BID、PID”等关键字段，端口会针对这些字段进行PK。
首先比较根路径开销（RPC），STP协议把根路径开销作为确定根端口的重要依据。RPC值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为根端口。
当RPC相同时，比较上行交换机的BID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的BID，值越小，越优选，因此交换机会选上行设备BID最小的端口作为根端口。
当上行交换机BID相同时，比较上行交换机的PID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的PID，值越小，越优先，因此交换机会选上行设备PID最小的端口作为根端口。
当上行交换机的PID相同时，则比较本地交换机的PID，即比较本端交换机各个端口各自的PID，值越小，越优先，因此交换机会选端口PID最小的端口作为根端口。

2.4.3指定接口选举

在每条链路上选举一个指定接口

根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较：
- 如果前者更优，则该接口为指定接口；
- 如果后者更优，则该接口为非指定接口。
一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口（自环除外）。

什么是指定端口？
网络中的每个链路与根桥之间的工作路径必须是唯一的且最优的。当一个链路有两条及以上的路径通往根桥时（该链路连接了不同的交换机，或者该链路连接了同一台交换机的不同端口），与该链路相连的交换机（可能不止一台）就必须确定出一个唯一的指定端口。
因此，每个链路（Link）选举一个指定端口，用于向这个链路发送BPDU。
注意：一般情况下，根桥上不存在任何根端口，只存在指定端口。
选举过程：指定端口也是通过比较RPC来确定的，选择RPC最小的作为指定端口，如果RPC相同，则比较BID和PID。
首先比较根路径开销（RPC），值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为指定端口。
若RPC相等，则比较链路两端交换机的BID，值越小，越优选，因此交换机会选BID最小的交换机的端口作为指定端口。
若BID相等，则比较链路两端端口的PID，值越小，越优选，因此交换机会选PID最小的交换机的端口作为指定端口。

2.4.4非指定接口被阻塞

什么是非指定端口（预备端口）？
在确定了根端口和指定端口之后，交换机上所有剩余的非根端口和非指定端口统称为==预备端口==。
阻塞非指定端口
STP会对这些非指定端口进行逻辑阻塞，即这些端口不能转发由终端计算机产生并发送的帧（用户数据帧）。
一旦非指定端口被逻辑阻塞后，STP树（无环路工作拓扑）就生成了。

2.4.5思考题：识别以下拓扑中的根桥及各种接口角色

如图，首先选举根桥，三台交换机的桥优先级相同，则比较桥MAC地址，谁小谁优先，最终选举SW1为根桥；
其次选举根端口，SW2上GE0/0/1距离根桥最近，RPC最小，所以SW2的GE0/0/1为根端口，同理SW3的GE0/0/1也为根端口；
然后选举指定端口，SW1为根桥，所以SW1上的GE0/0/0和GE0/0/1端口为指定端口，SW2的GE0/0/2端口接收到SW3的配置BPDU，比较BID，SW2比SW3的BID更优，所以SW2的GE0/0/2端口为指定端口；
最终非根端口，非指定端口的SW3的GE0/0/2端口为预备端口。

如图，首先选举根桥，三台交换机的桥优先级相同，则比较桥MAC地址，谁小谁优先，最终选举SW1为根桥；
其次选举根端口，SW2上GE0/0/1距离根桥的总带宽为1000M，SW2上GE0/0/2到根桥的总带宽为1000M,带宽越小cost越小，所以SW2的GE0/0/1为根端口，同理SW3的GE0/0/1也为根端口；
然后选举指定端口，SW1为根桥，所以SW1上的GE0/0/0和GE0/0/1端口为指定端口，SW2的GE0/0/2端口接收到SW3的配置BPDU，比较BID，SW2比SW3的BID更优，所以SW2的GE0/0/2端口为指定端口；
最终非根端口，非指定端口的SW3的GE0/0/2端口为预备端口。

如图，首先选举根桥，四台交换机的桥优先级相同，则比较桥MAC地址，谁小谁优先，最终选举SW1为根桥；
其次选举根端口，SW2上GE0/0/1距离根桥最近，RPC最小，所以SW2的GE0/0/1为根端口，同理SW3的GE0/0/2也为根端口，SW4的两个端口RPC相同，然后比较SW4的G0/0/1对应的交换机SW2的BID与G0/0/2对应的交换机SW3的BID，谁小谁优先，最终选举出SW4的GE0/0/1端口为根端口；
然后选举指定端口，SW1为根桥，所以SW1上的GE0/0/0和GE0/0/1端口为指定端口，SW2的GE0/0/2端口接收到SW4的配置BPDU，比较BID，SW2比SW4的BID更优，所以SW2的GE0/0/2端口为指定端口，同理可得SW3的GE0/0/1端口为指定端口；
最终非根端口，非指定端口的SW4的GE0/0/2端口为预备端口。

如图，首先选举根桥，两台交换机的桥优先级相同，则比较桥MAC地址，谁小谁优先，最终选举SW1为根桥；
其次选举根端口，SW2上两个端口RPC相同，再比较两个接口对端的BID也相同，然后比较两个端口对端的PID，SW2的G0/0/1的对端PID：128.1，SW2的G0/0/2的对端PID：128.2，越小越优先，所以SW2的G0/0/1为根端口；
然后选举指定端口，SW1为根桥，所以SW1上的GE0/0/1和GE0/0/2端口为指定端口；
最终非根端口，非指定端口的SW2的GE0/0/2端口为预备端口。

2.5STP的接口状态

2.5.1STP的接口状态迁移

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：
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。
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。
Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。
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。
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。

2.6STP的计时器

配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age都加1。
如果Message Age大于Max Age,非根桥会丢弃该配置BPDU。

STP协议中包含一些重要的时间参数，这里举例说明如下：
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。
Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。
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。

2.7拓扑变化

2.7.1根桥故障

SW1根桥发生故障，停止发送BPDU报文。
SW2等待Max Age计时器（20 s）超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，又接收不到根桥发送的新的BPDU报文，从而得知上游出现故障。
非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。
经过重新选举后，SW3的A端口经过两个Forward Delay（15 s）时间恢复转发状态。非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。根桥故障会导致==50 s左右==的恢复时间。

根桥故障：
在稳定的STP网络，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，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计时器（缺省: 20s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。
端口状态：
SW3的预备端口，20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。
收敛时间：
根桥故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

2.7.2直连链路故障

当交换机SW2网络稳定时检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会经过两倍的Forward Delay（15s）时间进入用户流量转发状态。
- SW2检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。
- 直连链路故障，备用端口会经过==30s==后恢复转发状态。

直连链路故障：
当两台交换机间用两条链路互连时，其中一条是主用链路，另一条为备用链路。
当网络稳定时，交换机SWB检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会进入用户流量转发状态。
端口状态：
备用端口会从Blocking状态，迁移到Listening-Learning-Forwarding状态。
收敛时间：
直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态。

2.7.3非直连链路故障

非直连链路故障后，SW3的备用端口恢复到转发状态，非直连故障会导致==50s==左右的恢复时间。

非直连故障
在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
若SW1与SW2之间的链路发生了某种故障（非物理故障），因此SW2一直收不到来自根桥SW1的BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20 s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效。
此时，非根桥SW2会认为根桥失效，并且认为自己是根桥，从而发送自己的配置BPDU给SW3，通知SW3自己是新的根桥。
在此期间，SW3的预备端口一直收不到包含根桥ID的BPDU，Max Age计时器超时后，端口进入到Listening状态，开始向SW2“转发”从上游发来的包含根桥ID的BPDU。
因此，Max Age定时器超时后，SW2和SW3几乎同时收到对方发来的BPDU，再进行STP重新计算，SW2发现SW3发来的BPDU更优，就放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。
端口状态：
SW3预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。
收敛时间：
非直连故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

2.7.4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，SW2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 0/0/3可以到达主机B。由于SW3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SW2后，SW3会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/3转发该数据帧。

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：
SW3感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SW2发送TCN BPDU报文。
SW2收到SW3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SW3，告知SW3停止发送TCN BPDU报文。
SW2向根桥转发TCN BPDU报文。
SW1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 s修改为Forward Delay的时间（默认为15 s）。
最多等待15 s之后，SW2中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SW2就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。

2.8STP基础配置

2.8.1STP的基础配置命令

1.配置生成树工作模式

[Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }

交换机支持STP、RSTP和MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）三种生成树工作模式，默认情况工作在MSTP模式。

2.（可选）配置根桥

[Huawei] stp root primary

配置当前设备为根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0，并且不能更改设备优先级。

3.（可选）备份根桥

[Huawei] stp root secondary

配置当前交换机为备份根桥。缺省情况下，交换机不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096，并且不能更改设备优先级。

4.（可选）配置交换机的STP优先级

[Huawei] stp priority priority

缺省情况下，交换机的优先级取值是32768。

5.（可选）配置接口路径开销

[Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }

配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t（dot1t）标准方法。同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost

设置当前接口的路径开销值。

6.（可选）配置接口优先级

[Huawei-intf] stp port priority

配置接口的优先级。缺省情况下，交换机接口的优先级取值是128。

7.启用STP/RSTP/MSTP

[Huawei] stp enable

使能交换机的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，设备的STP/RSTP/MSTP功能处于启用状态。

2.8.2STP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。

2.8.3配置交换机优先级

通过修改交换机的优先级，可以配置交换机为根交换机。

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stproot primary命令指定生成树里的根桥。

2.8.4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|dotlt|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：
使用华为的私有计算方法时，cost取值范围是1～200000。
使用IEEE 802.1d标准方法时，cost取值范围是1～65535。
使用IEEE 802.1t标准方法时，cost取值范围是1~200000000。

2.8.5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。

3.RSTP

STP协议虽然能够解决环路问题，但是收敛速度慢，影响了用户通信质量。
如果STP网络的拓扑结构频繁变化，网络也会频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断。IEEE于2001年发布的802.1w标准定义了==快速生成树协议RSTP==(RapidSpanning-Tree Protocol),RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。

3.1STP不足

STP协议虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断，这是用户无法忍受的。
STP没有细致区分接口状态和接口角色，不利于初学者学习及部署。
网络协议的优劣往往取决于协议是否对各种情况加以细致区分。
从用户角度来讲，Listening、Learning和Blocking状态并没有区别，都同样不转发用户流量。
从使用和配置角度来讲，接口之间最本质的区别并不在于接口状态，而是在于接口扮演的角色。
根接口和指定接口可以都处于Listening状态，也可能都处于Forwarding状态。
STP算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢。
STP算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其他设备进行处理，传遍整个STP网络。这也是导致拓扑收敛慢的主要原因之一。

STP能够提供无环网络，但是收敛速度较慢。如果STP网络的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断。RSTP使用了==Proposal/Agreement==机制保证链路及时协商，从而有效避免收敛计时器在生成树收敛前超时。如图所示，在交换网络中，P/A过程可以从根桥向下游级联传递。

IEEE 802.1w中定义的RSTP可以视为STP的改进版本，RSTP在许多方面对STP进行了优化，它的收敛速度更快，而且能够兼容STP。
STP引入了新的接口角色，其中替代接口的引入使得交换机在根接口失效时，能够立即获得新的路径到达根桥。
备份端口作为指定端口的备份，帮助链路上的网桥快速获得到根桥的备份路径。
RSTP的状态规范根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址把原来的5种状态缩减为3种。
另外，RSTP还引入了边缘接口的概念，这使得交换机连接终端设备的接口在初始化之后能够立即进入转发状态，提高了工作效率。

3.2RSTP端口角色

RSTP的接口角色共有4种：根接口、指定接口、预备接口和备份接口

运行RSTP的交换机使用了两个不同的端口角色来实现冗余备份。当到根桥的当前路径出现故障时，作为根端口的备份端口，
Alternate端口提供了从一个交换机到根桥的另一条可切换路径。
Backup端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应LAN网段的备份路径。
当一个交换机和一个共享媒介设备例如Hub建立两个或者多个连接时，可以使用Backup端口。同样，当交换机上两个或者多个端口和同一个LAN网段连接时，也可以使用Backup端口。

3.3RSTP边缘端口

边缘端口不接收处理配置BPDU,不参与RSTP运算。

RSTP里，位于网络边缘的指定端口被称为边缘端口。边缘端口一般与用户终端设备直接连接，不与任何交换设备连接。边缘端口不接收配置BPDU报文，不参与RSTP运算，可以由Disabled状态直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用了一样。但是，一旦边缘端口收到配置BPDU报文，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

3.4端口状态

RSTP把原来STP的5种端口状态简化成了3种。
Discarding状态，端口既不转发用户流量也不学习MAC地址。
Learning状态，端口不转发用户流量但是学习MAC地址。
Forwarding状态，端口既转发用户流量又学习MAC地址。

3.5RST BPDU

STP的配置BPDU中Flag字段的中间6位在RSTP中得到了应用。

除了部分参数不同，RSTP使用了类似STP的BPDU报文，即RST BPDU报文。
BPDU Type用来区分STP的BPDU报文和RST(Rapid Spanning Tree)BPDU报文。
STP的配置BPDU报文的BPDU Type值为0(0x00),
TCN BPDU报文的BPDU Type值为128 (0x80),
RST BPDU报文的BPDU Type值为2 (0x02)。
STP的BPDU报文的Flags字段中只定义了拓扑变化TC(Topology Change)标志和拓扑变化确认TCA(Topology Change Acknowledgment)标志，其他字段保留。
在RST BPDU报文的Flags字段里，还使用了其他字段。包括P/A进程字段和定义端口角色以及端口状态的字段。Forwarding,Learning与Port Role表示发出BPDU的端口的状态和角色。

非根桥设备无论是否接收到根桥发送的配置BPDU,都会按照Hello Time规定的时间间隔发送配置BPDU。

STP中，当网络拓扑稳定后，根桥按照Hello Time规定的时间间隔发送配置BPDU报文，其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU报文后，才会触发发出配置BPDU报文，此方式使得STP协议计算复杂且缓慢。RSTP对此进行了改进，即在拓扑稳定后，无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文，非根桥设备都会仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU,该行为完全由每台设备自主进行。

3.6RSTP收敛过程

每一台交换机启动RSTP后，都认为自己是“根桥”,并且发送RST BPDU。所有端口都为指定端口，处于Discarding状态。

RSTP收敛遵循STP基本原理。网络初始化时，网络中所有的RSTP交换机都认为自己是“根桥”,并设置每个端口为指定端口。此时，端口为Discarding状态。

交换机互相发送Proposal置位的RST BPDU。
SWA收到SWB的RST BPDU,会忽略。

每个认为自己是“根桥”的交换机生成一个RST BPDU报文来协商指定网段的端口状态，此RST BPDU报文的Flags字段里面的Proposal位需要置位。当一个端口收到RST BPDU报文时，此端口会比较收到的RST BPDU报文和本地的RST BPDU报文。如果本地的RST BPDU报文优于接收的RST BPDU报文，则端口会丢弃接收的RST BPDU报文，并发送Proposal置位的本地RST BPDU报文来回复对端设备。

SWB收到了更优的RST BPDU,于是停止发送RST BPDU,并开始执行同步。

交换机使用同步机制来实现端口角色协商管理。当收到Proposal置位并且优先级高的BPDU报文时，接收交换机必须设置所有下游指定端口为Discarding状态。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口，则端口状态保持不变。本例说明了下游指定端口暂时迁移到Discarding状态的情形，因此，P/A进程中任何帧转发都将被阻止。

阻塞所有非边缘端口之后，SWB将会发送一个Agreement置位的RST BPDU。

当确认下游指定端口迁移到Discarding状态后，设备发送RST BPDU报文回复上游交换机发送的Proposal消息。在此过程中，端口已经确认为根端口，因此RST BPDU报文Flags字段里面设置了Agreement标记位和根端口角色。

P/A进程向下游继续传递，SWB和SWC会继续进行收敛。

在P/A进程的最后阶段，上游交换机收到Agreement置位的RST BPDU报文后，指定端口立即从Discarding状态迁移为Forwarding状态。然后，下游网段开始使用同样的P/A进程协商端口角色。

3.7链路故障/根桥失效

链路故障或者根桥失效都会导致交换机收不到邻居发送的RST BPDU。在RSTP中，3倍Hello Time内收不到邻居的BPDU即认为邻居失效。

在STP中，当出现链路故障或根桥失效导致交换机收不到BPDU时，交换机需要等待MaxAge时间后才能确认出现了故障。而在RSTP中，如果交换机的端口在连续3次Hello Timer规定的时间间隔内没有收到上游交换机发送的RST BPDU,便会确认本端口和对端端口的通信失败，从而需要重新进行RSTP的计算来确定交换机及端口角色。

3.8RSTP拓扑变化处理

其他交换机接收到TC置位的BPDU后，清空所有其他端口学习到的MAC地址，收到TC BPDU的端口不清空。

RSTP拓扑变化的处理类似于STP拓扑变化的处理，但也有些细微差别。
本例里面，SWC发生链路故障。SWA和SWC立即检测到链路故障并清除连接此链路的端口上的MAC地址表项。接下来SWC选举出新的根端口并立即进入Forwarding状态，因此触发SWC向外发送TC置位的BPDU报文(以下简称TC报文)。通知上游交换机清除所有其他端口上的MAC地址表项，除了接收到TC报文的端口。TC报文周期性地转发给邻居，在此周期内，所有相关接口上MAC地址表项将会被清除，重新学习MAC地址表项。图形里面红色X表示由于拓扑变化导致端口上的MAC地址表项被清除。

3.9STP兼容

运行RSTP的交换设备在某端口上接收到运行STP的交换设备发出的配置BPDU,会把该端口转换到STP工作模式。

RSTP是可以与STP实现后向兼容的，但在实际中，并不推荐这样的做法，原因是RSTP会失去其快速收敛的优势，而STP慢速收敛的缺点会暴露出来。
当同一个网段里既有运行STP的交换机又有运行RSTP的交换机时，STP交换机会忽略接收到的RST BPDU,而RSTP交换机在某端口上接收到STP BPDU时，会等待两个Hello Time时间之后，把自己的端口转换到STP工作模式，此后便发送STP BPDU,这样就实现了兼容性操作。

3.10配置STP模式

执行命令后，SWA所有端口都工作在RSTP模式。

在Sx7交换机上，可以使用stp mode rstp命令来配置交换机工作在RSTP模式。
stp mode rstp命令在系统视图下执行，此命令必须在所有参与快速生成树拓扑计算的交换机上配置。

配置验证：

display stp命令可以显示RSTP配置信息和参数。根据显示信息可以确认交换机是否工作在RSTP模式。

3.11配置边缘端口

边缘端口可以由Disabled直接转到Forwarding状态，不经历时延。
Sx7系列交换机默认所有端口都工作在非边缘端口。

边缘端口完全不参与STP或RSTP计算。边缘端口的状态要么是Disabled,要么是Forwarding;终端上电工作后，它就直接由Disabled状态转到Forwarding状态，终端下电后，它就直接由Forwarding状态转到Disabled状态。
交换机所有端口默认为非边缘端口。
stp edged-port enable命令用来配置交换机的端口为边缘端口，它是一个针对某一具体端口的命令。
stp edged-port default命令用来配置交换机的所有端口为边缘端口。
stp edged-port disable命令用来将边缘端口的属性去掉，使之成为非边缘端口。它也是一个针对某一具体端口的命令。
需要注意的是，华为Sx7系列交换机运行STP时也可以使用边缘端口设置。

3.12根保护

根保护功能确保了根桥的指定端口不会因为一些网络问题而改变端口角色。

由于错误配置根交换机或网络中的恶意攻击，根交换机有可能会收到优先级更高的BPDU报文，使得根交换机变成非根交换机，从而引起网络拓扑结构的变动。这种不合法的拓扑变化，可能会导致原来应该通过高速链路的流量被牵引到低速链路上，造成网络拥塞。
交换机提供了根保护功能来解决此问题。根保护功能通过维持指定端口角色从而保护根交换机。一旦启用了根保护功能的指定端口收到了优先级更高的BPDU报文时，端口会停止转发报文并且进入Listening状态。经过一段时间后，如果端口一直没有再收到优先级较高的BPDU报文，端口就会自动恢复到原来的状态。
根保护功能仅在指定端口生效，不能配置在边缘端口或者使能了环路保护功能的端口上。

3.13BPDU保护

配置BPDU保护功能后，如果边缘端口收到BPDU报文，边缘端口将会被立即关闭，并通知网管系统。被关闭的边缘端口可配置成自动恢复或管理员手动恢复。

正常情况下，边缘端口是不会收到BPDU的。但是，如果有人发送BPDU来进行恶意攻击时，边缘端口就会收到这些BPDU,并自动变为非边缘端口，且开始参与网络拓扑计算，从而会增加整个网络的计算工作量，并可能引起网络震荡。
为防止上述情况的发生，我们可以使用BPDU保护功能。使能BPDU保护功能后的交换机的边缘端口在收到BPDU报文时，会立即关闭该端口，并通知网络管理系统。被关闭的边缘端口可配置成自动恢复或管理员手动恢复。
如需使能BPDU保护功能，可在系统视图下执行stp bpdu-protection命令。

3.14环路保护

根端口如果长时间收不到来自上游的BPDU,则进入Discarding状态，避免在网络中形成环路。

交换机通过从上游交换机持续收到BPDU报文来维护根端口和阻塞端口的状态。当由于链路拥塞或者单向链路故障时，交换机不能收到上游交换机发送的BPDU报文，交换机重新选择根端口。最初的根端口会变成指定端口，阻塞端口进入Forwarding状态，这就有可能导致网络环路。
交换机提供了环路保护功能来避免这种环路的产生。环路保护功能使能后，如果根端口不能收到上游交换机发送的BPDU报文，则向网管发出通知信息。根端口会被阻塞，阻塞端口仍然将保持阻塞状态，这样就避免了可能发生的网络环路。
如需使能环路保护功能，可在接口视图下执行stp loop-protection命令。

配置验证：

display stp interface <interface>命令可以显示端口的RSTP配置情况。包括端口状态，端口优先级，端口开销，端口角色，是否为边缘端口等等。

4.VBST

4.1STP/RSTP的缺陷：所有的VLAN共享一棵生成树

RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。
但RSTP和STP还存在同一个缺陷：由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，链路被阻塞后将不承载任何流量，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发。

4.2VBST：基于VLAN的生成树

华为公司提出了VBST（VLAN-Based Spanning Tree）生成树解决方案。该解决方案中，生成树的形成是基于VLAN的，不同VLAN间可形成相互独立的生成树，不同VLAN内的流量沿着各自的生成树转发，进而可实现流量的负载分担。

企业网中部署VBST：
可消除网络中可能存在的通信环路。
可实现链路的复用和流量的负载分担，进而有效地提高链路带宽的利用率。
配置和维护简单，进而可降低配置和维护成本。
但是如果网络中VLAN的数量较多，为每个VLAN执行独立的生成树计算将耗费交换机大量的资源。

5.MSTP

为了弥补STP和RSTP的缺陷，IEEE于2002年发布的==802.1s==标准定义了MSTP。
MSTP兼容STP和RSTP，既可以快速收敛，又提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

MSTP把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。
每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI（Multiple Spanning Tree Instance）。
所谓生成树实例就是多个VLAN的一个集合。
通过将多个VLAN捆绑到一个实例，可以节省通信开销和资源占用率。
MSTP各个实例拓扑的计算相互独立，在这些实例上可以实现负载均衡。
可以把多个相同拓扑结构的VLAN映射到一个实例里，这些VLAN在接口上的转发状态取决于接口在对应实例的状态。

6.堆叠与园区网络树形结构组网形态

堆叠iStack（Intelligent Stack），是指将多台支持堆叠特性的交换机设备组合在一起，从逻辑上组合成一台整体交换设备。
堆叠系统建立之前，每台交换机都是单独的实体，有自己独立的IP地址和MAC地址，对外体现为多台交换机，用户需要独立的管理所有的交换机；堆叠建立后堆叠成员对外体现为一个统一的逻辑实体，用户使用一个IP地址对堆叠中的所有交换机进行管理和维护，如图所示。通过交换机堆叠，可以实现网络大数据量转发和网络高可靠性，同时简化网络管理。

7.Smart Link

Smart Link是一种为双上行组网量身定做的解决方案：
- 在双向行的设备上部署，当网络正常时，两条上行链路中，一条处于活跃状态，而另一条则处于备份状态（不承载业务流量）。如此一来二层环路就此打破。
- 当主用链路发生故障后，流量会在毫秒级的时间内迅速切换到备用链路上，保证了数据的正常转发。
- Smart Link配置简单，便于用户操作。
- 无需协议报文交互，收敛速度及可靠性大大提升。

如图所示Switch3采用双上行方式分别连接到FW1和FW2，这样Switch3到达上行的链路就可以有两条。在Switch3上配置Smart Link，正常情况下，可实现Port2所在链路作为Port1所在链路的备份。若Port1所在的链路发生故障，Smart Link会自动将数据流量切换到Port2所在链路，保证业务不中断。

8.本章总结

生成树是一个用于局域网中消除环路的协议。运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。
在以太网交换网中部署生成树协议后，如果网络中出现环路，生成树协议通过拓扑计算，可实现：
- 消除环路：通过阻塞冗余链路消除网络中可能存在的网络通信环路。
- 链路备份：当前活动的路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。
RSTP（Rapid Spanning-Tree Protocol）作为一种存在已久的协议，已经无法满足现代园区网络的需求，但是了解STP的工作原理，有助于为进一步熟悉并掌握RSTP及MSTP的原理与部署做好铺垫。

# 第12章_生成树

# 1.技术背景

# 1.1二层交换网络

# 1.2二层&三层环路

# 1.2广播风暴

# 1.3MAC地址漂移

# 2.STP

# 2.1STP的作用

# 2.2STP的应用位置

# 2.3STP基本概念

# 2.3.1桥ID

# 2.3.2根桥

# 2.3.3Cost

# 2.3.4RPC

# 2.3.5Port ID

# 2.3.6BPDU

# 2.4STP的计算过程

# 2.4.1根桥选举

# 2.4.2根接口选举

# 2.4.3指定接口选举

# 2.4.4非指定接口被阻塞

# 2.4.5思考题：识别以下拓扑中的根桥及各种接口角色

# 2.5STP的接口状态

# 2.5.1STP的接口状态迁移

# 2.6STP的计时器

# 2.7拓扑变化

# 2.7.1根桥故障

# 2.7.2直连链路故障

# 2.7.3非直连链路故障

# 2.7.4拓扑改变导致MAC地址表错误

# 2.8STP基础配置

# 2.8.1STP的基础配置命令

# 2.8.2STP模式

# 2.8.3配置交换机优先级

# 2.8.4配置路径开销

# 2.8.5配置验证

# 3.RSTP

# 3.1STP不足

# 3.2RSTP端口角色

# 3.3RSTP边缘端口

# 3.4端口状态

# 3.5RST BPDU

# 3.6RSTP收敛过程

# 3.7链路故障/根桥失效

# 3.8RSTP拓扑变化处理

# 3.9STP兼容

# 3.10配置STP模式

# 3.11配置边缘端口

# 3.12根保护

# 3.13BPDU保护

# 3.14环路保护

# 4.VBST

# 4.1STP/RSTP的缺陷：所有的VLAN共享一棵生成树

# 4.2VBST：基于VLAN的生成树

# 5.MSTP

# 6.堆叠与园区网络树形结构组网形态

# 7.Smart Link

# 8.本章总结