STP协议

Posted 2021-02-22

一：概述

交换机使用生成树(spanning-tree)协议互相协商相关参数，进行根桥、根端口和指定端口的选举，进而在逻辑上断开环路，防止广播风暴的产生。

二：BPDU报文格式

交换机之间通过互相发送BPDU报文进行根网桥、根端口和指定端口的选举，继而形成逻辑上无环的网络拓扑。

BPDU报文格式如下：

Protocol Identifier：协议ID，该字段为0；
Protocol Version Identifier：协议版本，STP为0，RSTP为2，MSTP为3；
BPDU Type：BPDU消息类型，通常有两种，一类是配置BPDU，负责建立并维护STP拓扑，值为0x00，另一类是TCN BPDU，用于传达拓扑变更信息，值为0x80；
BPDU Flags：内含两个标识位，TC位：拓扑变化标志；TCA位，拓扑变化确认标志；
Root Identifier：当前根桥的桥ID，由2字节的桥优先级和6字节的MAC地址组成，该MAC地址默认情况下为VLAN 1的MAC地址；
Root Path Cost：发送该BPDU的端口到达根桥的开销值；
Bridge Identifier：发送该BPDU报文的交换机的桥ID，也是由2字节的桥优先级和6字节的MAC地址组成，该MAC地址默认情况下为VLAN 1的MAC地址；
Port Identifier：发送该BPDU报文的端口ID；
Message Age：该BPDU消息的年龄；
Max Age：指BPDU消息的最大生存时间，即老化时间；
Hello Time：指发送两个BPDU的时间间隔；
Forward Delay：指拓扑改变后，交换机端口在发送数据包前维持在监听和学习状态的时间。

抓包分析BPDU报文：

二：交换机将环形网络生成无环拓扑的步骤

1：选取根桥
交换机启动后，会向相连的交换机发送BPDU报文，起初，每台交换机都认为自己是根桥，互相交换BPDU报文后，会进行根桥的选举，选取根桥比较的是桥ID，桥ID包括交换机的优先级和MAC地址，先比较优先级，优先级的范围为0-32768，必须为4096的倍数，默认情况下为32768。优先级较小的成为根桥，如果优先级相同，比较MAC地址，MAC地址较小的成为根桥。根桥的选举采用抢占机制，如果一台优先级较小的交换机接入网络，会抢占根桥，并重新进行STP计算，生成新的无环网络。

2：选取根端口
选择根端口的依据：首先比较根路径成本，根路径成本与链路的带宽有关，带宽越大，根路径成本越低，到达根桥路径成本最低的端口成为根端口，如果根路径成本相同，再比较直连交换机的桥ID，连接桥ID较小的交换机的端口成为根端口，如果直连交换机的桥ID相同(采用双链路连接到同一台交换机的情况)，就会比较端口ID，所连接上行交换机的端口ID较小的端口成为根端口。

3：选取指定端口
网络中每段链路(每个冲突域)都要选举一个指定端口，选举指定端口的依据是先比较两个端口到达根桥的路径成本，如果路径成本相同，再比较两台交换机的桥ID，桥ID较小的交换机的端口成为指定端口。

实验分析选举过程：

网络拓扑如下图所示，其中，拓扑中所有交换机优先级均为默认值(32768)，所有链路带宽均相同。

①选举根桥：
根桥的选举比较的是桥ID，桥ID内部含有交换机的优先级和MAC地址，先比较优先级，发现优先级都相同，于是比较MAC地址，各交换机的MAC地址如下图所示：

由图可知，SW4的MAC地址最小，因此选举SW4为根桥：

②选举根端口：
在非根交换机上选举根端口，非根交换机有4台，每台交换机都要选举：SW0有两个接口，分别为Fa0/1和Fa0/2，由图可知，Fa0/2口到达根桥的路径成本较低，因此该端口被选举为根端口。以此类推，SW1的Fa0/1口成为根端口；SW2的Fa0/1口成为根端口。SW3的Fa0/3口和Fa0/4口到达根桥的路径成本相同，于是比较直连交换机的桥ID，发现桥ID也相同(连接的是同一台交换机)，因此比较直连交换机端口ID，SW3的两个端口分别连接SW4的Fa0/3口和Fa0/4口，Fa0/3口的端口ID较小，因此选择本地连接Fa0/3口的端口作为根端口，根端口选举完成，拓扑如下：

③选举指定端口：
上述网络拓扑中共有6段链路，因此需要选举6个指定端口，与根桥连接的3段链路中，根桥上的端口到达根桥的路径成本最低，所以根桥上的所有端口都为指定端口。在SW0和SW1所连链路中，SW0的Fa0/1口到达根桥的成本较低，因此该链路中，Fa0/1口为指定端口，同理，SW1和SW2所连链路中，两个端口到达根桥的根路径成本相同，于是比较各自的桥ID，SW1的MAC地址较小，因此选举SW1的Fa0/2口成为指定端口，在SW2和SW3所连链路中，SW3的Fa0/1口到达根桥的路径成本较低，因此该端口成为指定端口。网络拓扑如下：

剩余的端口即为逻辑上断开的端口(block端口)，最终形成无环的网络拓扑。

三：STP协议下的端口状态

STP协议下，交换机端口分为Disabled、Blocking、Listening、Learning、Forwarding状态：

Disabled：端口没有启用的状态，不接收BPDU，不转发BPDU，不参与生成树计算，不学习MAC地址表，不转发数据帧。
Blocking：阻塞状态，接收BPDU，不转发BPDU，不参与生成树计算，不学习MAC地址表，不转发数据帧。
Listening：监听状态，接收BPDU，转发BPDU，参与生成树计算，不学习MAC地址表，不转发数据帧。
Learning：学习状态，接收BPDU，转发BPDU，参与生成树计算，学习MAC地址表，不转数据帧。
Forwarding：转发状态，接收BPDU，转发BPDU，参与生成树计算，学习MAC地址表，正常转发数据帧。

汇总如下表所示：

端口状态转变所需的时间：

①blocking→listening：需要经过20s。
②listening→learning：需要经过15s。
③learning→forwarding：需要经过15s。