第十九章节-STP生成树协议

第十九章节-STP生成树协议

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STP的概述

• STP的基本原理是，通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文，网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，简称BPDU），来确定网络的拓扑结构。
• BPDU有两种，配置BPDU和TCN BPDU。前者是用于计算无环的生成树的，后者则是用于在二层网络拓扑发生变化时产生用来缩短MAC表项的刷新时间的（由默认的300s缩短为15s）。
• Spanning Tree Protocol（STP）是在IEEE 802.1D 文档中定义，该协议的原理是按照树的结构来构造网络拓扑，消除网络中的环路，避免由于环路的存在而造成广播风暴问题。
• 交换机环路带来的问题：
• ①广播风暴
• ②MAC地址表不稳定
• ③网络卡顿
• ④网络不稳定
• ⑤过多占用交换机的cpu和内存等等

实现方式

• 生成树协议运行生成树算法（STA）。生成树算法很复杂，但是其过程可以归纳为以下三个部分。
  （1）选择根网桥
  （2）选择根端口
  （3）选择指定端口（也有书籍称为转发端口）

相关介绍

• 生成树协议是IEEE 802.1D中定议的数据链路层协议，用于解决在网络的核心层构建冗余链路里产生的网络环路问题，通过在交换机之间传递网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，简称BPDU），通过采用STA生成树算法选举根桥、根端口和指定端口的方式，最终将网络形成一个树形结构的网络，其中，根端口、指定端口都处于转发状态，其他端口处于禁用状态。如果网络拓扑发生改变，将重新计算生成树拓扑。生成树协议的存在，既解决了核心层网络需要冗余链路的网络健壮性要求，又解决了因为冗余链路形成的物理环路导致“广播风暴”问题。
• 但是，由于协议机制本身的局限，STP收敛速度慢（即使是1s的收敛速度也无法满足电信级的要求），如果在城域网内部运用STP技术，用户网络的动荡会引起运营商网络的震荡。
• 根端口依据
  （1）到根网桥路径开销最低。
  根路径开销是两个网桥间的路径上所有链路的开销之和，也就是某个桥网到达根网桥的中间所有链路的路径开销之和。
  （2）最低的发送方网桥ID。
  （3）最低的端口ID。
  由于端口的ID是由优先级和端口号组成，保证了根端口的唯一性。
• 指定端口依据
  （1）根路径开销较低
  （2）所在的交换机网桥ID值最小
  （3）端口号最小
  注：根桥上的所有端口都是指定端口
• 选举根端口：①RPC–>②对端BID->③对端PID>④本端PID
• 选举指定端口：①站在交换机角度看RPC（不要站在接口角度）–②本端BID–>③本端PID
• 注意：最终如果收到的BPDU报文所有参数都一样，此时交换机会比较本端PID
• 桥ID（BID）=桥优先级+桥MAC，优先级默认32768，桥mac是主板MAC
• 端口ID（PID）=端口优先级+端口ID，端口优先级默认128，端口ID就是端口编号 例如：e0/0/5 ID就是5
• 简化步骤
  A、整个交换网络选举根桥（根交换机），桥ID较小的交换机当选为根桥。桥ID=桥优先级+桥MAC。根桥上的接口都是指定端口(DP：Designated Ports).注意：桥优先级默认都是32768 。
  B、非根桥上选择根端口，到达根桥“最近”（RPC）的端口当选为根端口（RP：root port）。对端桥ID。
  C、每条链路有且仅有一个指定端口。桥ID较小的交换机的端口当选为指定端口。
  D、剩下的接口将全部被阻塞，阻塞端口简称：block port（AP：alternate port 或者 NDP）。
• 端口类型
  指定端口：DP（Designated Ports）
  根端口：RP:root port
  block port（阻塞端口）：AP:alternate port或者NDP

• 端口类型	发送数据	接收数据	发送配置BPDU	接收配置BPDU
  RP	是	是	否	是
  DP	是	是	是	否
  NDP	否	否	否	是

端口状态

• Blocking（阻塞状态）：此时，二层端口为非指定端口，也不会参与数据帧的转发。
• Listening（侦听状态）：生成树此时已经根据交换机所接收到的BPDU而判断出了这个端口应该参与数据帧的转发。
• Learning(学习状态)：这个二层端口准备参与数据帧的转发，并开始填写MAC表。在默认情况下，端口会在这种状态下停留15秒钟时间。
• Forwarding（转发状态）：这个二层端口已经成为了活动拓扑的一个组成部分，它会转发数据帧，并同时收发BPDU。
• Disabled（禁用状态）：这个二层端口不会参与生成树，也不会转发数据帧。

协议不足

• 1、拓扑收敛慢，当网络拓扑发生改变的时候，生成树协议需要50-52秒的时间才能完成拓扑收敛。
• 2、不能提供负载均衡的功能。当网络中出现环路的时候，生成树协议简单的将环路进行Block，这样该链路就不能进行数据包的转发，浪费网络资源。

链路开销值