STP+RSTP详解

Posted 2021-11-29

STP技术---生成树技术

作为二层防环的技术还包括smart-link、eth-trunk、堆叠、rrpp等；

STP技术的收敛速度为1-2s
rrpp技术的收敛速度 ms单位；

STP技术的优势

1、适应复杂网络；
2、STP机制丰富，能存在多种保护机制等；
说明：
STP技术包括：STP、RSTP、MSTP
华为设备开启，默认STP版本为MSTP

二层环路

危害：
1、 广播风暴：数据帧的数量呈指数型增长；
2、 mac地址表震荡：mac地址表不断进行刷新，无法正常地转发数据帧；
3、最终影响设备正常使用。

三大表：

mac地址表：用于指导数据帧（二层）
ARP缓存表：用于存储IP地址与mac地址的对应关系（2.5层）
路由表： 用于指导IP数据包进行转发（三层）

STP协议工作原理

通过协议计算（依赖于BPDU报文），从逻辑上阻塞端口，从而实现防环，当链路一旦出现故障时，阻塞端口重新恢复转发。

STP的限制

1、收敛慢，收敛属于秒级；
2、不适用于大型交换网络，网络直径小于等于20；
3、整网的交换设备不能超过50台；

STP的计算过程

1、选举一个根桥

根桥交换机：作为整个交换网络的数据转发中心；

选举要素1

根桥ID：优先级+mac地址
1、比较优先级，默认为32768，数值越小越优先，可调整，只能为4096的倍数；
2、比较mac地址，数值越小越优先。

如果设备收到比本身差的BPDU报文，直接丢弃；
如果设备收到比本身优的BPDU报文，将其放入端口存储并且转发出去。

全网泛洪的BPDU报文的根桥ID一致时说明交换网络中已经选出根桥交换机

2、每个非根交换机选举一个根端口

根端口（RP）：转发数据的端口，用于接收最优的BPDU报文，只在非根桥交换机上有且只有一个。

选举要素2

1、根路径开销：
根路径：以一个接口为出方向，去往根桥交换机的最短路径之和，称为根路径；
2、开销：
跟接口的带宽有关；

100M=200000
1GE=20000
10GE=2000

根路径开销越小越优先：

STP的通用规则一：

非根桥交换机与根桥交换机直连接口都为RP端口。

3、每个网段选举一个指定端口

指定端口（DP）：转发数据，用于转发最优BPDU，在每个网段上有且仅有一个。

通用规则二：

根桥交换机上的所有端口均为DP端口。

要素3

发送者桥ID
设备在转发BPDU报文，都会将本身的桥ID字段填充到发送者桥ID中；

比较规则与根桥ID比较规则完全一致。

4、阻塞非根、非指定端口

AP，既不是DP也不是RP端口。

要素4

端口ID：优先级+端口编号
优先级：默认为128，数值越小越优先，可调整，只能调整为16的倍数；
端口ID，数值越小越优先。

STP的端口状态机

disable：说明端口未启用STP协议；

blocking：阻塞状态，属于AP端口正常状态，进行根桥的选举；

listening:侦听状态，进行端口角色的确定；

learning:学习状态，学习mac地址表；

forwarding：转发状态，转发数据，学习mac地址；

STP的计时器

hello time：更新计时器，根桥交换机每2秒向外泛洪BPDU报文；

max age：默认为20s，端口中BPDU的老化时间，如果端口到达老化时间，BPDU会被丢弃，等同于拓扑发生变化。

message age：信息延时，时间默认为0秒，每经过一个设备，会加1。

端口真正的老化时间=max age-message age

forward delay：转发延时，默认为15s，在listen--learning-forwarding状态跳转时使用，用于防止临时环路。

STP的收敛规则

当RP端口down掉，非根桥交换机直接认为根桥交换机down 掉，以自身为根桥向外泛洪BPDU报文；

STP针对拓扑改变的刷新机制

（1）由发生拓扑变化的交换机朝着根桥泛洪TCN BPDU报文，上游交换机收到TCN BPDU报文后，先回复TCA BPDU报文，继续朝着根桥泛洪TCN BPDU；

（2）不断重复上述过程，直到根桥交换机收到TCN BPDU，回复TCA BPDU报文为止；

（3）根桥交换机会泛洪TC BPDU报文，泛洪35秒，每2秒泛洪（17个或者18个），当交换机收到TC BPDU报文后，会刷新mac地址表。

RSTP对于STP的改进

（1）BPDU

将STP的flag字段中的6bit使用，分别为agreement（A），forwarding，learning，port role，proposal（P）。

（2）P/A协商

① 所有设备在一启动RSTP时，都认为本设备是根桥，都发送出P置位的的BPDU。

② 经过对比，BPDU较差的设备会停止发送BPDU，同时将收到较优BPDU的接口置为RP端口，进入forwarding，同时会将除了边缘端口以外的其他端口阻塞。

③ RP端口进入forwarding以后，会回复A置位的BPDU。更优的设备在收到了A置位的BPDU以后，会将收到该BPDU的端口置为DP端口，同时进入转发状态。

（3）端口角色

AP：预备端口，阻塞状态，作为RP的备份，当RP出现故障以后，AP马上成为RP端口，并且进入转发状态。收到其他设备发送的BPDU是AP。

BP：备份端口，阻塞状态，作为DP的备份，当DP出现故障以后，BP会在等待一段时间后才成为DP。
收到本设备的BPDU。

（4）对于次优的BPDU会回复处理，通过P/A协商。

（5）边缘端口

不参与STP的计算，只要接口UP，立即进入forwarding状态。当边缘端口收到了BPDU以后，就会丧失边缘端口属性。

配置： stp edged-port enable

（6）拓扑变更机制

直接由发生拓扑变更的设备直接发送出TC置位的BPDU，然后将除了收到TC置位1以外的接口所学到的MAC的老化时间改为15S。

（7）将端口角色由5种变为3种

discarding：在RSTP中的阻塞状态，不学习MAC地址也不转发用户数据。

learning：学习MAC地址但是不转发用户数据。

forwarding：即学习MAC地址也转发用户数据。

（8）保护功能

① BPDU保护：保护边缘端口在收到了BPDU以后，会将该端口error-down，同时通知网管。

只能针对与边缘端口保护

配置：stp bpdu-protection //在全局试图下

② 根保护：当该端口收到更优的RST BPDU后，端口进入Discarding状态，不再转发报文。若一段时间内端口未收到更优的RST BPDU，则会自动恢复到正常的Forwarding状态

只能在指定端口上保护

配置：stp root-protection //在接口试图下

③TC-BPDU泛洪保护：当设备收到TC-BPDU以后，在单位时间内会有一个限制的次数。

配置：在系统视图下stp tc-protection threshold +可处理的报文数量

RSTP快速收敛机制

当交换机的RP端口down掉时，AP端口会立刻成为RP端口，并立刻进入forwarding状态。

BP端口选取规则

当交换机从一个接口收到一份BPDU报文，包含的发送者桥ID为本身交换机的桥ID，同时BPDU比本地接口的BPDU优时，则此接口会被选为BP端口

当DP端口down掉时，BP端口需要等待18s的时间才会成为DP端口

常见问题汇总

问题1：RSTP的BPDU保护？

答：边缘端口直接和用户终端相连，正常情况下，边缘端口不会收到BPDU报文。如果者伪造BPDU恶意交换机，当边缘端口接收到BPDU报文时，交换机会自动将边缘端口设置为非边缘端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

通过配置BPDU保护功能可以防止这种***。设备上使能了BPDU保护功能后，如果边缘端口收到BPDU，系统就将这些端口Shutdown。
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问题2：stp 选举的四要素有哪些？？

答：root id（根桥的优先级+mac地址）
cost（到根桥的开销(接口带宽)）
发送者桥id
端口id

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问题3：华为交换机如果接口关闭了STP，收到BPDU会如何处理？

答：BPDU报文发送的目的地址为01-80-C2-00-00-00，华为交换机如果接口关闭了STP，那么收到目的MAC地址为：01-80-C2-00-00-00组播数据帧会直接丢弃。

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问题4：边缘端口的端口角色是什么角色？

答：DP端口，因为从该端口没有收到更优的BPDU，当一台运行STP的交换机刚启动，端口的角色为DP端口，只有收到比该端口优的BPDU才会迁移成其他的角色，边缘端口一般用于连接非交换机，不会收到BPDU，所以端口角色为DP端口。

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问题5：如果一个端口收到比自己还要差的BPDU会怎么处理？

答:华为把这种BPDU称为次优BPDU，华为交换机收到次优BPDU会丢弃该BPDU，并发送自己接口的最优的BPDU。

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问题6：STP中为什么要设计转发延迟时间？

答：STP如果没有forward delay带来的临时环路问题：

初始状态下SWA为根交换机，所有的交换机端口中，只有SWD的E0/2端口为Alternate Port，处于不转发状态。假设修改SWC的优先级，使SWC成为新的根交换机，SWD的E0/2接口成为新的根端口，进入转发状态，E0/1接口成为新的指定端口，处于转发状态，SWB的E0/2应当成为新的Alternate Port，进入不转发状态。如果在SWB的E0/2在从转发状态进入不转发状态之前，SWD的E0/2就从不转发状态进入转发状态，则网络中会出现临时环路。

解决临时环路的方法是：在一个端口从不转发状态进入转发状态之前（例如SWD的E0/2端口），需要等待一个足够长的时间，以使需要进入不转发状态的端口有足够时间完成生成树计算，并进入不转发状态
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问题7：运行STP的交换机是怎么感知拓扑发送变化的，为什么要发送TC BPDU，不发会怎么样？

答：当一个接口进入转发状态时，就认为拓扑已经发生变化。
如果拓扑发生变化不发TC BPDU会导致，过时的MAC地址表无法被刷新，从而导致数据流量无法继续进行转发，要等300S的MAC地址表老化时间后，才会刷新MAC地址表；

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问题8：华为STP有多少个版本？默认是哪个版本？

答：STP,RSTP,MSTP
MSTP
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