STP（生成树协议）

STP出现的背景：

如果同学们仔细观察一棵树，会发现一颗树有 ，树根、树干、树杈、树枝、树叶，水分通过根，源源不断的送到主干，树杈然后到达叶子，这是因为树的物理结构是发散的，没有树干、树杈、树枝的物理交织，如果咋们的网络结构像一颗树一样自然不会发生环路，所有我们的STP就像树一样在二层网络，用一种逻辑的方法将物理的环路斩断。

为什么二层交换会产生物理环路：

交换机之间为了冗余，带宽提升，或者错误的连接难免的产生一个封闭的物理环路，而以太网的转发机制又决定了不能有物理环路，一有环路，那些发给所有主机的Broadcast就会肆无忌惮的在环路上永不停的绕圈,山无棱，天地合，乃敢与环路绝！这些Frame永远无法到达目的地。

version 0 为STP 2为RSTP

STP的基本概念：

• BPDU（桥协议数据单元）

  包含了自己桥ID，路径开销，和端口ID等。

  01：80：C2:00:00:00 bpdu发送的组播MAC地址

• 一个根桥

  树形的网络结构必须有树根，于是STP引入了根桥（Root Bridge）概念。

  对于一个STP的网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心

• 两种度量

  （1）ID 又分为：BID（Bridge ID），和PID（Port ID）

  1. BID：桥ID

  ​ IEEE 802.1D标准中规定 BID由16位的桥优先级（32768）+桥MAC地址构成。BID桥优先级占据高16位，其余48位是MAC地址。

  1. PID：端口ID

     PID由两部分构成，高4位的优先级（128），低12位的端口号。

     ????：高位是从左右往右，低位相反

  （2）路径开销

  ​ 在一个STP网络中，某端口到根桥累计的路径开销

• 三要素选举

总体来说有三个要素：根桥、根端口（RP）、指定端口（DP）。

1. 根桥RB（Root Bridge）

   根桥就是网桥ID最小的桥，通过交互配置BPDU协议报文选举出最小的BID

2. 根端口 RP（Root port）

   去往根桥路径开销最小的端口，负责向根桥方向转发数据，根桥上没有根端口。

3. 指定端口 DP（Designated Port）

   根桥上所有的端口都是指定端口。

   1. 比较到根桥的COST值，小的成为DP
   2. 比较桥ID，小的成为DP
   3. 比较端口ID，小的成为DP
   4. 剩下的端口为AP为阻塞端口

• 四个比较原则

  配置BPDU中携带的主要信息：

  字段内容：	简要说明：
  根桥ID	每个STP网络有且仅有一个根
  累计根路径开销	转发配置BPDU 端口到根桥的距离
  BID	BPDU发送桥的ID
  PID	网桥发送BPDU的端口
  ????说明：在STP计算过程中，都遵循数值越小越好

  1.最小BID：用来选举根桥

  2.最小路径开销：用来在非根桥上选举根端口

  3.最小发送这BID：如果开销一样，桥ID小的获胜32768+MAC

  4.最小PID：比较128+端口号，值小的成为DP，值大的成为AP

• 五种端口状态

  端口状态	目的	说明
  Disabled	端口不处理BPDU，不转发数据流量	端口状态为DOWN
  Listening	确定端口角色，选举出根桥，RP，DP	过度状态
  Learning	接收流量，学习MAC地址表，但不转发	增加Learning状态防止临时环路
  Fowarding	即转发用户流量也处理BPDU	只有RP和DP才能进入Forwarding
  Biocking	端口接收BPDU，不转发用户流量	阻塞端口最终状态

影响端口状态和端口收敛参数

• Hello Time （2秒）

  运行STP协议设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否故障。

• Forward Delay（15秒）

  设备状态迁移时间。当拓扑发生变化后，重新生成树计算，重新计算得到的时间无法立刻传遍整个网络，如果立即转发数据会造成临时环路，为此STP采用了状态迁移机制，新选出来的RP和DP要经过2倍Forward Delay 延时后才能进入转发状态。

  ????说明：

  Listening进入到Learning需要15秒时间，Learning进入Fowarding时间需要15秒

• Max Age（20秒）

  端口BPDU报文老化时间，可在根桥上修改。

STP报文格式

前面介绍了 桥ID，路径开销，和端口ID等信息，这些都是通过BPDU协议报文传输

• 配置BPDU是一种心跳报文，只要端口能使能STP，则配置BPDU就会按照Hello Time定时器发送

  配置BPDU在以下三种情况产生：

  1. 端口使能STP。
  2. 当RP接收到配置BPDU，跟端口会在设备向每个DP复制一份BPDU发出
  3. 当DP收到比自己差的BPDU时，会立刻向下游设备发送自己的BPDU

• TCN BPDU是在设备检测网络拓扑发生变化时发出

  

拓扑变更：

当链路拓扑发生变化时，会从自己设备RP向上游发送TCN BPDU，上游非根桥交换回复 TCA置为确认BPDU ，同时向上继续传递TCN BPDU，根桥收到TCN BPDU后，向下游发送TC置为的配置BPDU，所有得到TC置为的BPDU后，会将自己MAC地址表300秒老化成15秒，重新学习MAC地址表

阻塞端口的开启，如果本地交换直连链路DOWN掉，交换机立刻开启阻塞端口将状态变为15s的listening，15s的learning，最后forwarding，如果是非直连链路down掉，阻塞接口需要等待20s的BPDI超时时间，所以阻塞端口再开启需要30-50s。

STP的不足之处

STP虽然能够解决环路，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了客户质量，如果有新接入的主机会发送TCN BPDU导致所有的设备重新进行生成树计算