STP(生成树协议)

Posted 2022-07-12 SpaceX7_s

背景

在单核心网络中，单一链路可能存在较大的风险，为了高可靠性往往会设置备份链路，设置了备份链路就有可能出现二层环路(数据链路层)

危害

1.广播风暴

1.广播报文在二层网络洪泛，容易造成链路堵塞
2.交换机的CPU被大量占用，正常报文不发正常发送
3. 造成主机资源的浪费，大量CPU用来识别这些报文
4. 冲击网关设备CPU，对网关ip地址的ARP请求，经过链路多次转发，造成网关的CPU压力过大容易崩溃

2.MAC地址表震荡

因为环路，二层交换机发出源数据，其他端口同时会收到数据包，导致目MAC地址与端口的对应关系一直在发送改变

3.多帧复制

主机反复收到数据报，开销大量CPU来识别这些数据报

STP(生成树协议)

基本概念：

在一个物理成环的交换网络拓扑中，通过生成树协议，可以逻辑阻塞一个或多个端口，使之成为无环的树形结构，在网络中，如果主干链路出来故障，那么被被阻塞的端口会自动打开，保证链路的备份和冗余----生成树协议(自动监测)
工作原理：
配置BPDU：用于网络初始化时进行生成树的选举，当网络稳定时，也会周期性发送，主要用于链路的维护和监测----hello时间2s/次
TCN BPDU：用于网络拓扑链路变更时，当主链路故障或者新加一条链路

BPDU的四个重要字段

1. 网桥ID
   (1)作用： 唯一表示交换机的身份信息
   (2)组成：8byte
   网桥优先级(2byte,2的16次方)，mac地址(6byte)
   范围：0-65535，有效范围：0-61440，步长4096，默认值32768，优先级越小越优先
   先比较网桥，再比较mac地址
2. 根网桥ID：指定是根交换机的身份信息
   所有交换机中，网桥ID最小的那个
   备注： 所有交换机刚启动时都以为自己是根网桥，因为还没有发送BPDU
3. 端口ID：
   （1）: 用来识别唯一识别交换机每个一个端口的身份信息
   端口优先级(1byte)，端口号(1byte)
   范围：0-255，有效范围：0-240，步长16，默认值：128
   选优规则：
   先比较端口优先级，再比较端口号，都是越小越优
4. 路径开销：
   指到达根网桥的路径开销(带宽越大开销越小)
   每种设备的路径开销都有规定，不需要计算

选举过程(核心工作原理)

1. 根网桥
   在所以交换机中，网桥ID最小的那个
2. 根端口
   作用：用来接收根网桥消息的端口
   选优规矩：
   每台非根网桥设备上只有一个根端口
   (1)选择端口到达根网桥开销最小的端口
   开销的根本：
   该端口发送数据报的BPDU好坏，数据到达该端口的最小开销，加上自身端口的开销，因为是发送出去的数据报所以需要加上自身端口的开销
   (2)选择发送网桥ID最小的(指对面的交换机网桥)
   (3)选择发送端口ID最小的（指对面发送给自己的那个端口ID）
3. 指定端口
   作用：用来转发根网桥消息的端口
   开销的根本：
   该端口发送数据报的BPDU好坏，数据到达该端口的最小开销，加上自身端口的开销，因为是发送出去的数据报所以需要加上自身端口的开销
   (1)选择网桥到达根网桥开销最小的端口
   (2)选择发送网桥ID最小的(指自己所处的那个交换机的网桥)
   (3)选择发送端口ID最小的(
   )
   每一条链路都会存在一个指定端口
4. 阻塞端口(非根非指定的端口)

端口的五种状态

Disabled:禁止转态
Blocking: 阻塞状态，可以接收BPDU，但不发送BPDU，不学习mac地址，不接收和转发数据报
Listenning：侦听转态，
learning:学习转态
Forwording：转发转态

圆圈表示根端口，三角形表示指定端口，剩下的为阻塞端口，逻辑性上等价与下图

收敛

直接收敛

当sw3的故障时，端口状态瞬间变为侦听状态 阻塞端口会发送一个TCN BPDU给sw2,sw2收到后会回一个TCA BPDU，告诉sw3已经收到TCN BPDU了不需要再发送，同时sw2会转发这个TCN BPDU给根网桥，sw1收到后会响应一个TCA BPDU给sw2，同时也会发送一个TC位为1的BPDU给sw2，sw2收到后mac地址表老化时间会从300秒变成15秒(mac地址表的老化是每一条都独立老化的)，sw2同时也会也会转发这个TC位 1 的BPDU转发给sw3，sw3的mac地址表老化时间也会发送
变为15秒

间接收敛

sw2收不到sw1的BPDU ，隔离20秒后，以根网桥的身份给sw3发送数据报，告诉sw3主链路出现问题，然后从新开启阻塞端口