STP/RSTP/MSTP 精华详解:

STP 概述 ：

• 因为二层设备的互联，并因为交换机的转发原理，会导致物理环路的产生。这时就会使用到STP协议
• STP：在有环的拓扑里面形成一个无环的逻辑拓扑(从有环（物理）到无环（逻辑）)
• STP：将环路网络修剪成一个无环的树形网络，通过生成树计算，阻塞某个接口，使得数据到达目的只有逻辑上的一条链路可以走，运行该协议的设备通过彼此交互BPDU来进行STP的计算。
• 二层环路会带来的问题：广播风暴，MAC地址表偏移，MAC地址震荡。
• MAC地址漂移：
  • 一个MAC映射一个接口，
  • 一个接口可以映射多个MAC。
  • 设备上一个从一个两个接口学习到两个MAC地址，后学习到MAC地址表项会覆盖原MAC表项的现象。
  • 如何防止：提高接口MAC地址学习优先级。不允许相同接口mac地址进行表项覆盖。

BPDU:

• 桥协议数据单元。

• 属于二层协议。用于在交换机与交换机之间发送，构建无环网络，

协议字段	作用
Flags	8bit，STP只用一个最高位和一个最低位，最高位置位为TCA BPDU,最低位置位为 TC BPDU
Root-id	根桥ID，根桥设备的BID,由优先级+mac地址组成
Cost of path	根路径开销，描述到达根桥的开销值
Bridge-id	转发桥id，描述发送该BPDU的设备BID.
Port-id	端口id，发送给BPDU的端口id
Message age	配置BPDU能够在网络中存活的最大生存时间
Max age	接口缓存BPDU的老化时间，默认为20s
hello time	根桥发送配置BPDU的发送周期，默认为2s
Forward delay	Listening，Learning状态的持续时间，默认为15s

• BID：BID一共8个字节，其中优先级2个字节，MAC地址6个字节，优先级又分为两部分组成，一个是优先级字段，一个是system id字段，system id实质就是vlan id，华为默认为0，所以设置优先级实质还是从高4位开始进行，高四位为2^12，为4096，所以优先级必须设置为4096的倍数。

• Message age 如果是根桥发出的配置，那么值为0，否则为根桥发出到达当前桥接收BPDU的总时间，华为实现，每经过一个交换机，值加1

端口状态：

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状态	描述
Disabled	关闭状态
Blocking	阻塞状态，接收BPDU，不发送，不学习MAC,不转发数据
Listening	侦听状态，接收并发送BPDU,不学习MAC,不转发数据，停留一个forward delay的时间 15s
Learning	学习状态，接收并发送BPDU,学习MAC,不转发数据，停留一个forward delay的时间 15s
Forwrading	转发状态，接收并发送BPDU，学习MAC,转发数据

STP快速收敛会造成临时环路

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• STP因为没有快速收敛机制，所以要设计forwead delay的时间，等待所有设备BPDU报文交互的完成
• 不然就会造成拓扑变更后，端口角色转换完成后快速进入转发状态，而莫端设备还没有收到TC置位的BPDU，造成网络中所有端口都处于转发状态，造成一个临时环路的产生，
• 再比较自己的r-id
• DP对象：逐链路
• stp：慢，无冗余、

STP拓扑变更通知：

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• 发送TCN BPDU必须满足一下任意条件:
  • 必须有一个接口状态处于Forwarding。
  • 只有DP接口才处理TCN BPDU
• 当交换机有链路故障后，会像上游交换机发送TCN BPDU，上游交换机收到后，会回复一个TCA 置位的BPDU,用于告诉下游我已经收到了，并向上游逐跳发送，直至发送到根桥，根桥收到之后，会向下游发送TCA，TC同时置位的BPDU，然后朝其他接口发送TC置位的bpdu，所有运行STP的交换机均可以收到TC置位的BPDU。然后会立即重置自己的MAC地址表项。
• TC置位BPDU的发送时间为2s，不受hello time时间的影响
• 周期为35s（Forward delay+Max age），会一直发送TC置位的BPDU，那么就会一直清空MAC地址表项，但是

RSTP 概述：

• 虽然有STP的独特的破环机制，但是端口进入转发状态的时间最少依旧还是等待30s的时间，很显然满足不了现在的业务需求，所以在STP的基础上，改良开发出了RSTP

• STP/RSTP对比

  STP/RSTP对比	STP	RSTP
  端口角色	RP/DP/BP-AP	RP/DP/BP/AP/EP
  端口状态	五种	三种，（将STP前三种合为了一种-Discarding）
  快速收敛机制	无	P/A机制、EP端口，AP端口特性，

RSTP端口状态：

• 端口状态	描述
  Discarding	禁用状态，接收并发送BPDU,不学习MAC,不转发数据，停留一个forward delay的时间 15s
  Listening	侦听状态，接收并发送BPDU,不学习MAC,不转发数据，停留一个forward delay的时间 15s
  Forwrading	转发状态，接收并发送BPDU，学习MAC,转发数据

• 由STP的五种端口装换为了三种端口，这是因为原先STP的前两个端口，都不能发送BPDU，所以就将两个直接替代了，是的三种端口合为了一种，端口状态数据少，以便于人工管理

RSTP新增属性：

• EP端口，用于连接交换机。

• BP端口，用于做DP的备份端口

• AP端口，用于做RP的备份端口

• 报文 flags字段,8位全部占用:

  TCA置位	A置位	端口状态标识符	P置位	P置位	TC置位
  高7位，RSTP不再使用	高6位，置位标识A置位的BPDU	高5,4位同时置位，01表示DIS状态，10表示lear状态，11表示for状态	低2,3位同时置位，01代表AP/BP，10代表RP,11代表DP.	低1位，置位表示P置位的BPDU	低0位，置位表示为TC置位的BPDU

边缘端口：

• 可以接收、发送BPDU，
• EP端口接入终端立即变为DP+Forwarding。
• EP端口收到BPDU后，会失去边缘端口特性。变为普通端口重新参与STP计算
• EP为什么会发送BPDU?
  • 当两个EP端口自环了，EP端口收到了自己的BPDU，就会知道下面有环路产生
  • 发送BPDU来防止自环的产生。（BPDU 2s发送一次，所以BPDU会存在2s的临时环路，）
• 接口Up/Down.不会发送TC置位的BPDU.不会影响拓扑变更。
• TC BPDU不会向EP端口转发。
• 收到TC BPDU、P/A置位BPDU时，不会清空EP端口的MAC地址表项，PA协商时会强制为sysc同步成功

边缘端口保护：

• 配置EP端口保护后，如果边缘端口收到BPDU报文，边缘端口会被down掉，边缘端口属性不变
• 被关闭的端口默认不会自动恢复，需要执行命令手动恢复，或者重启端口，或者配置一个自动恢复的时间。

快速收敛：

• P/A机制：

  • 在交换机与交换机之间进行的，
  • 交换机认为自己是Root 接口想为DP，处于Discarding 状态，就发送P/A置位的BPDU
  • 双方都认为自己的Root，都会发送P/A置位的BPDU，双方通过比较优劣，劣势的一方，主动发起A置位的BPDU
  • 当链路类型为点到点，全双工，接口想为RP端口，处于Discarding状态，并进行P/A同步（sync），就会发送A置位的BPDU。
  • P/A同步过程：将交换机除AP,EP,BP,端口以外的所有端口处于Discarding状态，
  • 当将A置位的BPDU,发送出去后，该端口立马进入Forwarding状态，
  • 当收到A置位的BPDU后，该端口立马进入Forwarding状态。
  • P/A机制是当上游是DP端口，下游是RP端口是，才进行P/A机制，若下游是AP短裤，则不会产生A置位的BPDU进行回复，那么对端DP端口进入到转发状态，就需要等待两个Forward Delay的时间。
  • 什么时候端口才会认为自己是DP?
    • 刚加入网络，认为自己是根桥
  • 什么时候端口才会认为自己的RP?
    • 通过比较BPDU后，发现别人的比较优。
  • 什么时候端口才会认为自己是AP?
    • 收到的BPDU，没有自身其优。
  • 什么时候端口才会认为自己是BP?
    • 收到自己发出的BPDU,但是比自己优。

• AP端口特性：

  • 当RP端口Down掉后，交换机会从多个AP端口中选择最优的AP端口替代成RP,AP会直接转换为RP，并立即进入转发状态。

• BP端口特性：

  • 若DP端口Down后，BP会立即转变成为RP状态，等待两个Forward Delay的时间进入转发状态
  • 若DP端口链路被阻塞，BP收不到了RP发送过来的BPDU，会等待hold time的超时时间（默认为18s），就认为DP挂掉了，BP会立即转变成为RP状态，等待两个Forward Delay的时间进入转发状态，总共为（18+30=48）

拓扑变更通知：

• 触发条件：交换机端口状态由Discarding状态转换为Forarading状态（说明就是有端口角色的切换），该接口Down会影响其他接口角色的切换，

• 交换机会跟除EP端口外所有端口启动 Tc While time，这个计时器是hello time的两倍，

• 在这个时间内，清空除EP端口外所有端口映射学习来的MAC地址，同时由端口发送RST BPDU，其中TC置位，一旦Tc While 计时器超时，就不再发送

• 交换机收到RST BPDU后，清空除接受端口，和EP端口以外的所有的MAC地址条目，

• 并开启Tc While time，继续朝着DP/RP端口进行转发。

优点：1.不用清空所有的MAC地址条目，保留了一些有效的，有效的避免了过多单播报文的泛洪

​ 2.以拓扑变化者为源，向外扩散TC置位的BPDU,不必到达根桥，节省了收敛时间。

华为实现：

• 华为实现：在收到比自己次优的BPDU时，会将自己的优的BPDU发给对方。这就不用等待Max Age的超时时间。
• 华为实现：STP/MSTP/RSTP都只有三种状态，
• 华为实现：STP只比RSTP少了一个快速收敛 P/A机制
• 华为实现：设备有自己的超时时间，在超时时间内没有收到BPDU,就会重新进行生成树的计算，Max Age在华为交换机中的意义不大，超时时间为 hello time时间 x 3 x 时间因子（默认为3，取值1-10），默认位18s，最小为6s。
• 华为实现，当收到TC置位的BPDU时，会将交换机的MAC清空，这样可以及时清除错误的MAC表项，但是TC置位的BPDU会持续发送35s，每2s发送一次。会发送大概17次，就会一直刷新交换机的MAC地址表项。同时会产生过多的单播泛洪报文。

MSTP概述：

• STP/RSTP在交换机上有且仅有一个实例，所有vlan映射到一个实例上，RSTP虽然可以实现网络的快速收敛，但是仍然会出现闲置链路，没有达到负载均衡的目的
• MSTP可以自定义多个生成树实例，允许多个vlan映射到不同的实例
  • 实现负载均衡，避免闲置链路
  • 实现冗余备份，各实例之间的单独进行RSTP计算的，互不影响
  • 不同的vlan流量根据不同的路径进行转发。

MSTP标识：

• MST交换机使用MST configuration id来标识自己

• MST configuration id包含三个参数：

  • 区域名字（region name）
  • 修订级别 （region level）
  • vlan和实例（instance）的映射。MSTP会将vlan与实例的映射关系进行hash计算。然后让BPDU进行携带，双方通过比较hash值来确定是不是属于同一实例。
  • 只有以上三种参数全部相同，才说明他们属于同一实例。

• MSTP实例：

  • MSTI：用户自定义多生出实例

    • MSTP通过设置VLAN映射表（即VLAN和MSTI的对应关系表）把VLAN和MSTI联系起来

    • MSTI可以与一个或多个vlan对应。

    • 各MSTI之间单独进行RSTP计算，互不干扰、

    • 每个MSTI进行802.1W算法

    • 每个端口在每个MSTI中的端口角色，状态，参数不一样

  • ISTl：默认实例0，他是特殊的MST实例缺省情况下，所有vlan都属于该实例。

  • CITI：MSTP 多域。MST实例仅出现在每个区域内，并不出现在区域间，如果把每一个区域看做是一台大的交换机，则连接这些交换机的树被称为CSI,

  • 每个区域中的IST和区域间的CST一起构成CIST

STP保护技术：

BPDU保护：

• EP端口如果收到BPDU后，会丧失特性，那么如果有人恶意的跟EP端口发送BPDU。是EP端口丧失特性

• 使用在EP端口上，EP端口如果收到BPDU后，不会使其失去边缘端口特性，而是直接关闭，需要手动开启，或者手动配置自动恢复的时间，

根保护：

• 如果在现有的拓扑中，新加入一各交换机，并恶意的将优先级设置最低，使之网络受到优先级更高的BPDU，从而引起网络拓扑错误变更，会导致原来应该通过高速链路转发的数据朝着低速链路进行转发，造成网络拥塞

• 启用ROOT保护的RP端口，端口角色一致保持在RP端口。如果指定端口收到优先级更高的报文，端口进入Discarding状态，不在转发BPDU,在经过两倍的Forwrad delay时间后，如果端口一直没有收到更优的BPDU，则自动恢复到正常的Forwarding状态。

环路保护：

• 在AP和DP相连的全双工链路上，如果单方向链路故障的话，会造成AP收不到DP发送过来的BPDU，认为DP失效，自己切换状态为DP，并等待两个Forward delay的时间进入转发状态，那么就会造成网络环路。
• 配置环路保护后，如果AP/RP端口长时间没有收到BPDU，则向网关发出通知消息，如果是根端口则进入Discarding状态，如果是AP端口进入阻塞状态，不转发报文，从而不会形成环路，直到收到BPDU,才会进入Fowarding状态。

TC保护：

• 交换设备在收到TC置位的BPDU时，会清除MAC地址表项，那么如果网络中有伪造的TC置位的BPDU频繁发送，那么MAC地址就会一直被清空，导致有过多的单播泛洪报文，直至广播风暴。
• 配置TC保护后，可以设置在接收TC置位的BPDU后多少秒内进行清空MAC地址表项，还可以设置接收的最大阈值，超过阈值就不在接收。

BPDU过滤：

• 因为EP端口不参与STP计算，但是仍然会发送BPDU报文，这些BPDU可能会发送到其他网络，造成网络震荡，配置BPDU过滤可以使端口不发不收BPDU，过滤BPDU报文，但是这样会结局不掉两个EP端口互联的环路问题，所以这个要慎用。