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  1. 前言
  2. 生成树协议概述
    1. 分类：
    2. 技术背景：
    3. STP概述
  • STP工作原理：
    1. STP角色选举（四要素）：
    2. STP计算（工作）流程：
      1. 一、选举根桥：
      2. 二、每台非根桥交换机上选举一个根端口（RP Root Port）:
      3. 三、在每段链路选举一个指定端口（DP）:
      4. 四、选举阻塞端口
  • 手工指定根桥
  • 端口状态转换
  • 常用配置：
  • STP协议的报文–BPDU
    1. 配置BPDU：
    2. TCN BPDU(拓扑改变通知BPDU)：
  • 拓扑变化分析：
    1. 拓扑发生变化，交换机的处理过程：
  • END
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    网络工程-HCIA课程（六）STP协议
    2020/08/04 网络工程 HCIA 网络工程师 华为 HCIA STP

    前言

    以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

    运行STP协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个接口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

    RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充，实现了网络拓扑快速收敛。

    常见误区：

    • 二层交换机只有一个mac地址，根桥id的mac即为交换机中的唯一mac地址
    • RP，DP端口选举遵循STP角色选举四要素规则
    • RP，DP端口选举由于在同交换机网络中，只有一个根桥交换机，即四要素中第一步的根桥ID一致，一般从第二步开始计算
    • 一般BPDU报文只在根桥交换机发出，RP是接收BPDU报文接口，DP是发送/转发送BPDU报文接口




    生成树协议概述



    分类：

    • STP 慢生成树协议（为了理解原理，本文主要讲解）
    • RSTP 快生成树协议
    • MSTP 多实例生成树协议（华为交换机默认开启协议）


    技术背景：

    环路产生原因：

    • 由于二层设计要求的冗余性，进一步带来了环路

    环路影响：

    1. 引起广播风暴：可能会造成设备瘫痪
    2. MAC地址震荡：可能造成设备不通
    3. 主机收到重复数据帧

    解决核心：

    • 通过STP协议，逻辑上阻塞掉一条链路，打破环路，该链路成为备份链路，当主链路产生故障，备份链路进入活跃状态，转发数据。


    STP概述

    • STP是一个用于局域网中消除环路的协议。
    • 运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。
    • STP在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。
    • 由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。




    STP工作原理：

    本文为了讲解，主要使用STP（慢生成树协议）

    [SW1]stp mode  stp


    STP角色选举（四要素）：

    1. 桥ID：由优先级+MAC地址组成
      //优先级默认32768，可以调整为4096的整数倍
      [SW3]stp priority 4096


    1. 根路径开销（RPC root path cost）：设备去往根桥交换机的最近开销
      默认情况下：
      1Gbps端口 = 20000（开销）
      100Mbps端口= 200000（开销）


    1. （转）发送者桥ID：发送BPDU的交换机的桥ID
      由优先级+MAC地址组成


    1. 端口ID：端口优先级+端口编号，数值越小越好，优先级默认128
      //修改端口优先级，可以修改为16的整数倍
      [Huawei-GigabitEthernet0/0/2]stp port priority 16


    STP计算（工作）流程：

    以以下网络拓扑图为例讲解：



    一、选举根桥：

    根桥：是整个交换机网络的核心，所有的报文（BPDU）都是由根桥发送，根桥是唯一的

    • 由优先级+MAC地址组成
    • 先比较各台设备的桥ID，优先级数值越小越优先（默认都为32768），如果优先级相同，则选择MAC地址小的设备
    //查看stp信息
    [SW3]display stp

    如需修改优先级：

    //修改优先级为8192
    [SW2]stp priority 8192


    二、每台非根桥交换机上选举一个根端口（RP Root Port）:

    RP:离根桥“最近”的端口，接收根桥发送的报文（BPDU）

    • 根据四要素法则选举：
      1. 先比较根桥ID（由于在同交换机网络中，只有一个根桥交换机，即根桥ID一致）
      2. 比较去往根桥的最近开销，开销数值越小越优先（第二步即可选举出RP端口）
    //查看stp端口状态
    [SW2]display stp brief

    如需修改接口开销：

    //修改接口开销
    [SW2-GigabitEthernet0/0/2]stp cost 50000


    三、在每段链路选举一个指定端口（DP）:

    DP：发送BPDU报文的接口，也是一段链路最优的端口（每段链路即两个端口连接成的链路都有一个DP端口）

    • 根据四要素法则选举：
      1. 先比较根桥ID（由于在同交换机网络中，只有一个根桥交换机，即根桥ID一致）
      2. 比较去往根桥的最近开销，开销数值越小越优先
      3. 比较（转）发送者桥ID：先比较各台设备的桥ID优先级（数值越小越优先），如果优先级相同，则选择MAC地址小（第三步即可选举出DP端口）


    四、选举阻塞端口

    最后没有任何角色的端口就是阻塞端口，该链路就为阻塞链路





    手工指定根桥

    //手工指定某台设备为主根桥：
    [SW6]stp root  primary


    //手工指定备份根桥：
    [SW8]stp root  secondary




    端口状态转换

    下图仅限参考：



    1. Disabled：未启用状态，华为中不存在
    2. Blocking：阻塞状态，所有的交换机一开机在此状态，在此状态会进行根桥的选举，阻塞端口最终会回到该状态
    3. Listening：监听状态，在该状态选举RP、DR、AP阻塞端口，如果选举为RP、DR端口，则进入下一个状态
    4. Learning：学习状态，在此状态会进行MA地址的学习，构建MAC
    5. Forwarding：转发状态，最后DR、RP会停留在此状态，只有该状态可以转发数据

    forward delay ：转发延时，15S：用于防止临时环路
    从Listening 到Learning 需要经历15S，从Learning到Forwarding 需要经历15S





    常用配置：

    <Huawei>dis stp     //查看STP的相关信息，可以看到根桥

    [SW1]stp priority 4096      //修改根桥优先级

    [SW1]stp root primary      //手工设置为主根桥

    [SW3]stp root secondary     //手工设置为备份根桥

    [SW1-GigabitEthernet0/0/2]stp cost 40001        //修改接口开销

    [SW1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority 16     //修改端口优先级

    [SW1]stp mode stp       //修改工作模式为STP

    [SW3]dis stp brief      //查看端口角色




    STP协议的报文–BPDU

    BPDU分为两种类型：

    • 配置BPDU（Configuration BPDU）
    • TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）


    配置BPDU：

    用于STP计算，包括用于选举的一些列参数（根桥ID，根路径开销RPC、桥ID、端口ID）

    • Message Age：交换机实际收到bpdu报文的时间，默认情况下，每经过一台设备，Message Age +1
    • Max Age：BPDU的老化时间，为20S，如果交换机收到的BPDU，其中Message Age实际收到的实际大于20S，则交换机丢弃该配置BPDU


    TCN BPDU(拓扑改变通知BPDU)：

    只有拓扑改变时才会触发，用于通知拓扑发生变化





    拓扑变化分析：

    1. 根桥故障：

    • 根桥产生故障，无法发送BPDU，非根桥SWB/C等待20S的BPDU老化时间，如果超过20S还没有收到根桥发送的报文信息，则认为自己是根桥，发送BPDU报文。

    • 通过BPDU选举出新的根桥（SWB），SWC的AP端口变为RP端口，从Blocking- listening – learning – forwarding 需要经过2个转发延时，总共30S。

    • 最终，整个网络从发生故障，到故障解决，需要50S时间



    1. 直连故障：

    • SWB的RP端口产生故障，SWB能够直观的感受，此时，AP端口作为备份，切换成RP端口，端口状态从Blocking- listening – learning – forwarding 需要经过2个转发延时，总共30S。

    • 最终，整个网络从发生故障，到故障解决，需要30S时间，这个时间叫做收敛时间。



    1. 非直连故障：

    • SWB 连接根桥的线路产生故障，无法接收BPDU，等待20S老化时间收不到，则SWB认为自己是根桥，发送自己的BPDU

    • SWC的AP端口收到SWB的BPDU，也收到根桥的BPDU，通过对比，认为根桥的更优，所以AP端口变为DP端口，端口状态从Blocking- listening – learning – forwarding 需要经过2个转发延时，总共30S。

    • 最终，整个网络从发生故障，到故障解决，需要50S时间，这个时间叫做收敛时间。



    拓扑发生变化，交换机的处理过程：



    1. SW3的g0/0/6接口产生故障，感知拓扑发生变化，朝着DP端口发送拓扑改变通知BPDU（TCN BPDU）


    1. SW2收到SW3的通知，SW2首先回复SW3 TAC置位为1的配置BPDU ，同时，将该拓扑改变通知BPDU 朝着根桥发送


    1. 重复第二步，直到根桥为止。


    1. 当根桥交换机SW1收到拓扑改变通知BPDU，回复TCA置位为1 的配置BPDU用于确认已经收到通知，同时泛洪TC置位为1的配置BPDU，泛洪35S。


    1. 下游交换机收到TC置位为1的配置BPDU，将MAC地址老化时间从300S刷新为15S，并继续往自己的下游传递TC置位为1的BPDU。




    END

    网络工程-HCIA课程（七）链路聚合
    网络工程-HCIA课程（五）VLAN原理
    本文作者：Dark
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