1、STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）1. STP 的用途STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）是根据 IEEE 协会制定的 802.1D 标准建立的，用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。运行该协议的设备通过彼此交互报文发现网络中的环路，并有选择的对某些端口进行阻塞，最终将环路网络结构修剪成无环路的树型网络结构，从而防止报文在环路网络中不断增生和无限循环，避免主机由于重复接收相同的报文造成的报文处理能力下降的问题发生。STP 包含了两个含义，狭义的 STP 是指 IEEE 802.1D 中定义的 STP 协议，广义的 STP 是指
2、包括 IEEE 802.1D 定义的 STP 协议以及各种在它的基础上经过改进的生成树协议。2. STP 的协议报文STP 采用的协议报文是 BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元） ，也称为配置消息。STP 通过在设备之间传递 BPDU 来确定网络的拓扑结构。BPDU 中包含了足够的信息来保证设备完成生成树的计算过程。BPDU 在 STP 协议中分为两类：配置 BPDU（Configuration BPDU）：用于进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文。TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）：当拓扑结构发生变
3、化时，用于通知相关设备网络拓扑结构发生变化的报文。3. STP 的基本概念(1) 根桥树形的网络结构，必须要有树根，于是 STP 引入了根桥（ Root Bridge）的概念。根桥在全网中只有一个，而且根桥会根据网络拓扑的变化而改变，因此根桥并不是固定的。网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置 BPDU，其他的设备对该配置 BPDU 进行转发，从而保证拓扑的稳定。(2) 根端口所谓根端口，是指一个非根桥的设备上离根桥最近的端口。根端口负责与根桥进行通信。非根桥设备上有且只有一个根端口，根桥上没有根端口。(3) 指定桥与指定端口指定桥与指定端口的含义 分类 指定桥 指定端口对于一
4、台设备而言 与交换机直接相连并且负责向交换机转发BPDU 报文的设备 指定桥向本机转发 BPDU 报文的端口对于一个局域网而言 负责向本网段转发 BPDU 报文的设备 指定桥向本网段转发 BPDU 报文的端口(4) 路径开销路径开销是 STP 协议用于选择链路的参考值。STP 协议通过计算路径开销，选择较为“强壮”的链路，阻塞多余的链路，将网络修剪成无环路的树型网络结构。4. STP 的基本原理STP 通过在设备之间传递 BPDU 来确定网络的拓扑结构。配置消息中包含了足够的信息来保证设备完成生成树的计算过程，其中包含的几个重要信息如下：根桥 ID：由根桥的优先级和 MAC 地址组成；根路径开
5、销：到根桥的最短路径开销；指定桥 ID：由指定桥的优先级和 MAC 地址组成；指定端口 ID：由指定端口的优先级和端口名称组成；配置消息在网络中传播的生存期：Message Age；配置消息在交换机中能够保存的最大生存期：Max Age ；配置消息发送的周期：Hello Time；端口状态迁移的延时：Forward Delay。(1) STP 算法实现的具体过程初始状态各台设备在初始时会生成以自己为根桥的 BPDU 报文消息，根路径开销为 0，指定桥 ID 为自身设备ID，指定端口为本端口。最优配置消息的选择各台设备都向外发送自己的配置消息，同时也会收到其他设备发送的配置消息。最优配置消息的选
6、择过程如下：1、每个端口收到配置消息后的处理过程如下：当端口收到的配置消息比本端口配置消息的优先级低时，设备会将接收到的配置消息丢弃，对该端口的配置消息不作任何处理。当端口收到的配置消息比本端口配置消息的优先级高时，设备就用接收到的配置消息中的内容替换该端口的配置消息中的内容。2、设备将所有端口的配置消息进行比较，选出最优的配置消息。配置消息的比较原则如下：根桥 ID 较小的配置消息优先级高；若根桥 ID 相同，则比较根路径开销，比较方法为：用配置消息中的根路径开销加上本端口对应的路径开销，假设两者之和为 S，则 S 较小的配置消息优先级较高；若根路径开销也相同，则比较以下的配置消息优先级，优
7、先级较高的为根桥：指定桥 ID、指定端口 ID、接收该配置消息的端口 ID 等， 。根桥的选择网络初始化时，网络中所有的 STP 设备都认为自己是“根桥 ”，根桥 ID 为自身的桥 ID。通过交换配置消息，设备之间比较根桥 ID，网络中根桥 ID 最小的设备被选为根桥。根端口、指定端口的选择根端口、指定端口的选择过程如下。1、 非根桥设备将接收最优配置消息的那个端口定为根端口。2、设备根据根端口的配置消息和根端口的路径开销，为每个端口计算一个指定端口配置消息：根桥 ID 替换为根端口的配置消息的根桥 ID；根路径开销替换为根端口配置消息的根路径开销加上根端口对应的路径开销；指定桥 ID 替换为
8、自身设备的 ID；指定端口 ID 替换为自身端口 ID。3、设备使用计算出来的配置消息和需要确定端口角色的端口上的配置消息进行比较，并根据比较结果进行不同的处理：如果计算出来的配置消息优，则设备就将该端口定为指定端口，端口上的配置消息被计算出来的配置消息替换，并周期性向外发送。如果端口上的配置消息优，则设备不更新该端口配置消息并将此端口阻塞，该端口将不再转发数据，只接收但不发送配置消息；说明：在拓扑稳定状态，只有根端口和指定端口转发流量，其他的端口都处于阻塞状态，它们只接收 STP 协议报文而不转发用户流量。一旦根桥、根端口、指定端口选举成功，则整个树形拓扑就建立完毕了。下面结合例子说明 ST
9、P 算法实现的计算过程。具体的组网如图 1-2 所示，Device A 的优先级为0，Device B 的优先级为 1， Device C 的优先级为 2，各个链路的路径开销分别为 5、10、4。各台设备的初始状态各台设备的初始状态如表 1-4 所示。各台设备的比较过程及结果如表 1-5 所示。设备 比较过程 比较后端口的配置消息Device A端口 AP1 收到 Device B 的配置消息1，0，1，BP1 ，Device A 发现本端口的配置消息0，0，0， AP1优于接收到的配置消息，就把接收到的配置消息丢弃。端口 AP2 收到 Device C 的配置消息2，0，2，CP1 ，Dev
10、ice A 发现本端口的配置消息0，0，0， AP2优于接收到的配置消息，就把接收到的配置消息丢弃。Device A 发现自己各个端口的配置消息中根桥和指定桥都是自己，则认为自己是根桥，各个端口的配置消息都不作任何修改，以后周期性的向外发送配置消息AP1：0，0，0，AP1AP2：0，0，0，AP2端口 BP1 收到来自 Device A 的配置消息0，0，0，AP1，Device B发现接收到的配置消息优于本端口的配置消息1，0，1，BP1 ，于是更新端口 BP1 的配置消息。端口 BP2 收到来自 Device C 的配置消息2，0，2，CP2，Device B发现本端口的配置消息1，0
11、，1，BP2优于接收到的配置消息，就把接收到的配置消息丢弃。BP1： 0，0，0，AP1BP2：1，0，1，BP2Device BDevice B 对各个端口的配置消息进行比较，选出端口 BP1 的配置消息为最优配置消息，然后将端口 BP1 定为根端口，它的配置消息不作改变。Device B 根据根端口 BP1 的配置消息和根端口的路径开销 5，为 BP2端口计算一个指定端口配置消息0，5，1，BP2 。Device B 使用计算出来的配置消息0，5，1，BP2 和端口 BP2 上的配置消息进行比较，比较的结果是计算出来的配置消息较优，则 Device B 将端口 BP2 定为指定端口，它的配
12、置消息被计算出来的配置消息替换，并周期性向外发送。根端口BP1： 0，0，0，AP1指定端口BP2：0，5，1，BP2Device C端口 CP1 收到来自 Device A 的配置消息0，0，0，AP2，Device C发现接收到的配置消息优于本端口的配置消息2，0，2，CP1 ，于是更新端口 CP1 的配置 消息。端口 CP2 收到来自 Device B 端口 BP2 更新前的配置 消息1，0，1，BP2 ，Device C 发现接收到的配置消息优于本端口的配置消息2，0，2，CP2 ，于是更新端口 CP2 的配置消息。CP1： 0，0，0，AP2CP2：1，0，1，BP2经过比较：端口
13、CP1 的配置消息被选为最优的配置消息，端口 CP1 就被定为根端口，它的配置消息不作改变。将计算出来的指定端口配置消息0，10，2，CP2 和端口 CP2 的配置消息进行比较后，端口 CP2 转为指定端口，它的配置消息被计算出来的配置消息替换。根端口 CP1：0，0，0，AP2指定端口 CP2：0，10，2，CP2接着端口CP2 会收到Device B 更新后的配置消息0 ，5，1，BP2，由于收到的配置消息比原配置消息优，则Device C 触发更新过程。同时端口 CP1 收到 Device A 周期性发送来的配置消息，比较后Device C 不会触发更新过程。CP1： 0，0，0，AP2
14、CP2：0，5，1，BP2经过比较：端口CP2 的根路径开销9（配置消息的根路径开销5+端口CP2 对应的路径开销4）小于端口CP1 的根路径开销10（配置消息的根路径开销0+端口CP1 对应的路径开销10） ，所以端口CP2 的配置消息被选为最优的配置消息，端口CP2 就被定为根端口，它的配置消息就不作改变。阻塞端口CP1：0，0，0，AP2根端口CP2：0，5，1，BP2将端口CP1 的配置消息和计算出来的指定端口配置消息比较后，端口CP1 被阻塞，端口配置消息不变，同时不接收从Device A 转发的数据，直到新的情况触发生成树的计算，比如从 Device B 到 Device C 的链
15、路 down 掉。经过上表的比较过程，此时以Device A为根桥的生成树就确定下来了，形状如图1-3所示。(2) STP 的配置消息传递机制当网络初始化时，所有的设备都将自己作为根桥，生成以自己为根的配置消息，并以Hello Time 为周期定时向外发送。接收到配置消息的端口如果是根端口，且接收的配置消息比该端口的配置消息优，则设备将配置消息中携带的Message Age 按照一定的原则递增，并启动定时器为这条配置消息计时，同时将此配置消息从设备的指定端口转发出去。如果指定端口收到的配置消息比本端口的配置消息优先级低时，会立刻发出自己的更好的配置消息进行回应。如果某条路径发生故障，则这条路径
16、上的根端口不会再收到新的配置消息，旧的配置消息将会因为超时而被丢弃，设备重新生成以自己为根的配置消息并向外发送BPDU 和TCN BPDU，从而引发生成树的重新计算，得到一条新的通路替代发生故障的链路，恢复网络连通性。不过，重新计算得到的新配置消息不会立刻就传遍整个网络，因此旧的根端口和指定端口由于没有发现网络拓扑变化，将仍按原来的路径继续转发数据。如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话，可能会造成暂时性的环路。(3) STP 定时器STP 计算中，需要使用三个重要的时间参数：Forward Delay、Hello Time 和MaxAge 。Forward Delay 为交换机状
17、态迁移的延迟时间。链路故障会引发网络重新进行生成树的计算，生成树的结构将发生相应的变化。不过重新计算得到的新配置消息无法立刻传遍整个网络，如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话，可能会造成暂时性的路径回环。为此，生成树协议采用了一种状态迁移的机制，根端口和指定端口重新开始数据转发之前要经历一个中间状态，中间状态经过2 倍的Forward Delay 的延时后才能进入Forwarding 状态，这个延时保证了新的配置消息已经传遍整个网络。Hello Time 用于交换机检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time 时间会向周围的交换机发送hello 报文，以确认链路是否存在故障。Max Age 是用来判断配置消息在交换机内保存时间是否“过时”的参数，交换机会将过时的配置消息丢弃。
