交换机 STP协议

Posted 2021-03-15 xiaoshiwang

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了交换机 STP协议相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

交换机会有下面的问题

1，单点断开

2，为了防止单点断开，就要做冗余，所以就会产生环路，环路产生后，就会产生广播风暴。

使用，交换机 STP（spanning-tree 生成数）协议，可以解决上面的问题。

cisco交换机默认是开启STP功能的。

为了防止环路，在环上选择一个接口，阻塞它。

如何选择阻塞哪个端口呢，根据选举规则。

交换机在广播域发送类似hello包的东西，叫bpdu：bridge protocol data unit

bpdu报文里有bridge id，有优先级，有交换机的mac地址（这个mac地址，不是交换机接口上的mac地址，而是交换机主板上的mac地址）。

交换机的mac地址，实际就是一个，那么每个接口上的mac地址是如何来的呢？

假设交换机主板上的mac地址是ca00.f000.0000，那么接口f0/0的mac地址就是ca00.f000.0001；f0/1接口的mac地址就是ca00.f000.0002，以此类推。

先对比优先级，默认的优先级是32768，范围是0-65535，数字越小越优先

如果优先级相同，再对比主板上的mac地址，mac地址越小越优先。

根据优先级和mac地址，选择出一个最优先的叫root，也叫根桥。

选择出root后，root每2秒发送bpdu，20秒超时。root发送出的bpdu里有root id和bridge id，它们是相同的。

别的交换机接收到了root id后，再向周围的交换机转发，但转发前，把从root过来的bridge id，换成自己的，root id不变。

非root交换机，必须找出一个最优的端口，保持和root联通，这个端口叫根端口。

如何评判是最优的端口呢?根据STA算法，主要看接口的带宽。带宽越宽，越容易成为根接口。

技术图片

stp操作：

技术图片

选择出根端口和指定端口后，剩下的端口，就是要作为阻塞端口了，要阻塞它，不能通过它转发流量，完美的解决了交换机的环路问题。

端口角色

DP：指定端口

发送bpdu
RP：根端口

不发送bpdu，只接受bpdu，能转发流量
AP：决定出DP和RP后，剩下的端口，叫非指定端口（阻塞端口）

不发送bpdu，只接受bpdu，不能转发流量

端口状态

block：初始状态，会过度到listern
listern：监听bpdu，不能学习mac地址，不能转发数据，停留15秒。任务是确认端口角色。非指定端口（阻塞端口的状态从listern变成block。其他端口进入learn状态。
learn：可以学习mac地址，不能转发数据。，停留15秒。进入forward状态。
forward：可以转发数据了。根端口和指定端口就停留在此状态了。
disable：禁用端口的stp协议功能，不建议使用此状态。有很多办法能解决30秒过慢的问题。

bpdu报文种类：

Configuration BPDU (CBPDU), used for Spanning Tree computation
Topology Change Notification (TCN) BPDU, used to announce changes in the network topology
Topology Change Notification Acknowledgment (TCA)

? Linux中只定义了前两种，最后一种是通过TCA flag置1发送config bpdu

环路解决了，那么单点失效的问题怎么解决呢？

当发生单点失效了，就让原来阻塞的端口，不再阻塞，让它转发流量。

但是原来的阻塞接口，即使是不阻塞了，但是交换机是根据mac地址表转发数据的，它没有mac地址表的，还是不能实现转发数据。怎么办？

当检测到某条链路单点失效后，离的最近的交换机的RP端口，会立即转发TCN数据包，一层一层的向上转发，直到根桥接受到了TCN，所以根桥就直到了哪条链路失效了。然后根桥就再发送一个CBPDU数据包，包里面的TC标识位会有值，其他交换机接收到了这个包后，马上让自己所以接口上的mac地址表的老化时间从300秒，变成15秒，15秒后，所有接口的mac地址表都被清空了，再有数据过来后，就泛洪，泛洪几轮后，各个接口就学习到了mac，放到自己的mac地址表，然后网络就又稳定了。

关键点总结：

打开阻塞的接口
检知到单点失效的交换机从RP接口向上发送TCN报文，一层一层传到根桥
根桥再发送一个CBPDU数据包，让TC标识位有值
其他交换机发送TC位有值，调整mac地址表的老化时间

以上所说的内容都是STP标准，cisco还有专有的pvst

pvst：per vlan spanning tree。每一个vlan都运行一个生成树。每个vlan里都是标准的STP。

交换机里是有vlan的，标准STP，阻塞接口时，不管这个接口属于哪个vlan，一律阻塞。

pvst就可以精细到，虽然是通过一个接口，可以指定让哪个vlan阻塞，让哪个vlan不阻塞。

实验：验证pvst，谁是根桥，哪个接口被阻塞了。

拓扑图：

技术图片

1，查看所以vlan的生成树

sw1：

sw1#show spanning-tree

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    32769
             Address     aabb.cc00.0100
             This bridge is the root
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0100
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Desg FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Desg FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr
Et1/3               Desg FWD 100       128.8    Shr
 --More--

上面说默认的bridge id是32768，这里为啥是32769呢，由于cisco用的是pvst，所有为了区分是哪个vlan的，在32768的基础上，加，vlan号。这时的vlan号是1，所以32768+1=32769。

查看vlan的生成树：show spanning-tree vlan 1

sw2：

sw2#show spanning-tree

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    32769
             Address     aabb.cc00.0100
             Cost        100
             Port        1 (Ethernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0200
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Root FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Desg FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr

发送和sw1有下面的区别：

Cost 100

自己到根桥的开销。
Port 1 (Ethernet0/0)

自己的哪个接口连接着根桥。这个端口一定是最优的，一定会出现在根端口的角色里。

确实它的角色是根端口：Et0/0 Root FWD 100 128.1 Shr
mac地址

我的mac地址aabb.cc00.0200，比根桥的mac地址一定要大，根的mac地址是aabb.cc00.0100，所以我在选举的时候没有成为根桥。

sw3：

sw3#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    32769
             Address     aabb.cc00.0100
             Cost        100
             Port        1 (Ethernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0300
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Root FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Altn BLK 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr

发送和sw2有下面的区别：

自己的mac地址比sw2还大，是在选举时，最不优先的。
自己有个端口是阻塞端口（AP），状态是block。

Et0/1 Altn BLK 100 128.2 Shr

STP的配置点：指定谁是根桥。

指定原则：不能出现在2层网络的接入层。

接入层是啥？看下图。

技术图片

IOU1和IOU2是接入层，它们不可以是根桥。

实验：人为指定根桥。

拓扑图：

技术图片

1，手动指定sw3为根桥：

sw3(config)#spanning-tree vlan 1 root ?
  primary    Configure this switch as primary root for this spanning tree
  secondary  Configure switch as secondary root

在root后面可以输入primary和secondary。

primary：主根桥
secondary：次根桥。当主根桥down后，不用经过选举，次根桥自动变成主根桥。

sw3：成为了根桥。

sw3#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    24577
             Address     aabb.cc00.0300
             This bridge is the root
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    24577  (priority 24576 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0300
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Desg FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Desg FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr
Et1/3               Desg FWD 100       128.8    Shr

发现

Priority 24577：比默认值小了，所以比sw1和sw2都优先

sw1：没有阻塞接口，mac地址比sw2小。

sw1#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    24577
             Address     aabb.cc00.0300
             Cost        100
             Port        2 (Ethernet0/1)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0100
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Desg FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Root FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr

sw2：有阻塞接口。

sw2#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    24577
             Address     aabb.cc00.0300
             Cost        100
             Port        2 (Ethernet0/1)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0200
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Altn BLK 100       128.1    Shr
Et0/1               Root FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr

2，通过指定交换机的优先级，来间接的让谁成为根桥

sw1(config)#spanning-tree vlan 1 priority ?
  <0-61440>  bridge priority in increments of 4096

优先级必须是4096的整数倍。

sw1(config)#spanning-tree vlan 1 priority 1
% Bridge Priority must be in increments of 4096.
% Allowed values are:
  0     4096  8192  12288 16384 20480 24576 28672
  32768 36864 40960 45056 49152 53248 57344 61440
sw1(config)#spanning-tree vlan 1 priority 0

当输入的数字不是4096的整数倍，会提示错误，并提供最接近的数字。

sw1:由于sw1的优先级是1，比sw2和sw3都高，所以成为了根桥。

sw1#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    1
             Address     aabb.cc00.0100
             This bridge is the root
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    1      (priority 0 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0100
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Desg FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Desg FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr

sw2:优先级比sw3小，所以有阻塞接口

sw2#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    1
             Address     aabb.cc00.0100
             Cost        100
             Port        1 (Ethernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0200
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Root FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Altn BLK 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr

sw3:没有阻塞接口。

sw3#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    1
             Address     aabb.cc00.0100
             Cost        100
             Port        1 (Ethernet0/0)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    24577  (priority 24576 sys-id-ext 1)
             Address     aabb.cc00.0300
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0               Root FWD 100       128.1    Shr
Et0/1               Desg FWD 100       128.2    Shr
Et0/2               Desg FWD 100       128.3    Shr
Et0/3               Desg FWD 100       128.4    Shr
Et1/0               Desg FWD 100       128.5    Shr
Et1/1               Desg FWD 100       128.6    Shr
Et1/2               Desg FWD 100       128.7    Shr

开启STP功能

sw1(config)#spanning-tree mode ?
  mst         Multiple spanning tree mode
  pvst        Per-Vlan spanning tree mode
  rapid-pvst  Per-Vlan rapid spanning tree mode

c/c++ 学习互助QQ群：877684253

技术图片

本人微信：xiaoshitou5854

以上是关于交换机 STP协议的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

互联网协议 — STP 生成树协议

交换机 STP协议

STP协议（生成树协议）简介

运行stp协议的交换机只在本交换机某个端口出现故障时才会发送tcnbpdu啥

生成树协议（STP）

二层交换机 STP