stp

why's stp

stp产生背景

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当网络中出现交换机成环组网时（例如上图），会造成广播风暴（广播流量在三台交换机内循环广播），进而造成mac地址频繁漂移，设备CPU、内存高，线路带宽被占满，网络中断。

  1. 广播风暴导致网络不可用
  2. MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏

进而需要一种技术打破这种环路，于是生成树协议诞生。

what's stp

stp、rstp、mstp含义

  1. stp：spanning tree protocol，生成树协议，遵循802.1d标准设计的用于打破网络二层环路的协议。
  2. rstp：rapid spanning tree protocol，快速生成树协议，遵循802.1w标准设计、优化stp的生成树协议。
  3. mstp：mutli spanning tree protocol，多实例生成树协议，遵循802.1s标准设计、多实例的生成树协议。

stp BPDU分类

  1. 配置BPDU（0x00）

    • 第1位和第8位没有置位的普通BPDU

    • 第1位置位的TCA BPDU

    • 第8位置位的TC BPDU

  2. TCN BPDU（Topology Change Notification （0x80）

rstp/mstp BPDU分类

  1. Rapid/Multiple Spanning Tree（0x02）

stp、rstp、mstp报文格式

stp

  • 普通配置BPDU
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Protocol Identifier：stp、rstp、mstp都是固定的，都是Spanning Tree Protocol；
Protocol Version Identifier：stp字段为Spanning Tree，值为0；
BPDU Type：
  	Configuration（0x00）（分为 普通配置BPDU、TCA BPDU、TC BPDU）
 	Topology Change Notification（0x80）
BPDU flags：TCA和TC位
Root Identifier：根ID字段（包括优先级、mac地址字段）
Root Path Cost：根路径开销（自己为根，到自己的开销为0）
Bridge Identifier：BID字段包括优先级、mac地址字段
Port identifier：端口ID，用于选举堵塞端口
Message Age：
Max Age：BPDU最大老化时间，默认20s
Hello Time：BPDU发送时间间隔，默认为2s
Forward Delay：转发时延（收敛时间，默认15s）
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  • TCN BPDU

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rstp

  • Rapid/Multiple Spanning Tree BPDU

RST BPDU（包含TC BPDU和TCA BPDU（少见）），没有了TCN BPDU报文，一般分将TC置位的RST BPDU（非边缘端口进入转发状态）、TCA置位的RST BPDU、普通RST BPDU（TC、TCA均不置位的BPDU-普通BPDU）。

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普通RST BPDU（没有将TC置位的 BPDU）

RSTP变化最大的部分为 BPDU flags字段，将原先stp中flags字段中间预留6位做了使用。

字段 字段描述
BPDU flags: 0x78, Agreement, Forwarding, Learning, Port Role: Root
0... .... = Topology Change Acknowledgment: No
.1.. .... = Agreement: Yes 协议字段
..1. .... = Forwarding: Yes ...1 .... = Learning: Yes 增加端口状态字段
.... 10.. = Port Role: Root (2) 10 根端口 11 指定端口 端口角色字段 指定端口，备份端口，阻塞端口，根端口
.... ..0. = Proposal: No 提议字段，不同厂商对接使用
.... ...0 = Topology Change: No

mstp

  • Rapid/Multiple Spanning Tree BPDU（参考RST BPDU）

​ 在RSTP基础上扩展了MST Extension字段（多实例）

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stp、rstp角色

stp

  1. stp端口角色
    • 根端口、指定端口、ALTE（阻塞端口）
  2. 端口状态
    • forwarding
    • learning
    • liensting
    • blocking
    • disabled

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rstp

  1. rstp端口角色
    • 根端口
    • 指定端口
    • AP（ALTE端口）阻塞端口
    • BP（backup port）备份端口
  2. rstp端口状态
端口状态 状态描述
forwarding 转发用户流量，学习mac地址
learning 不转发用户流量，学习mac地址
discarding 不转发用户流量，不学习mac地址

stp、rstp拓扑计算

stp、rstp端口角色选举

选举过程中使用的4个字段 {根桥ID，累计根路径开销，发送者BID，发送端口PID}

  1. 交换机互联

    • 只要开生成树的两台交换机或多台交换机互联（互联端口开启生成树），此时交换机不转发用户流量，所有端口都处于listening状态。首先进入选举阶段：SW们开始都认为自己是根桥，发送自己的BID（stp优先级+mac地址）给其它交换机。

  2. 选举根桥

    • SW们比较BID（比小），最小的成为根桥

  3. 选举根端口和指定端口

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​ 图-1

3.1 选举根端口

  • 交换机比各端口 收到根桥发送的BPDU的cost。以AS01为例：AS01从G0/1口收到根桥发送的BPDU（累计根路径开销为 AS01的G0/1接口 stp cost） cost=1，同时AS01也会收到AS02发送的根桥stp数据包，AS01收到后的数据包的BID cost=2（AS02的G0/1接口cost+AS01的G0/2口cost），所以AS01的G0/1为根端口，同样AS02类似（补充：AS02收到根桥DS01发送的BPDU后 {根桥DS01-BID，累计根路径开销（cost=1），发送者BID（AS02-BID），发送端口（AS02的G0/2）PID}数据包发送给AS01。（三角形拓扑组网）

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​ 图-2

  • 图-2为例，当AS03从AS01方向收到根桥的开销cost=2（AS01的G0/1+AS03的G0/1）等于从AS02方向收到根桥的开销=2（AS02的G0/1+AS03的G0/2），此时再比较发送根桥BPDU的发送者的BID（AS01和AS02），因为AS01的mac地址小于AS02，所以AS03 G0/1为根端口。

    注意：cost累加 是收到根桥发送的stp报文 入向接口的cost值累加。

3.2 选举指定端口

  • AS01和AS02选举指定端口，以图-1 AS01为例 比较自己的BID和AS02的BID大小，问题来了：AS01如何知道AS02的BID呢？ 通过根桥定期（hello时间间隔）发送的配置BPDU，AS02收到后添加自己的BID字段发送给AS01，此时AS01知道AS02的BID，同样AS02一样知道AS01的BID。BID小的一方端口状态为指定端口（DP），另一方将端口阻塞（ALTE端口角色）。

总结：

  1. 选举根端口依次比较cost、BID、PID，比出为止；

  2. 选举指定端口只比较BID。

  3. stp、rstp、mstp 选举根桥、根端口、指定端口的过程都是一样的。

  4. 但是rstp、mstp协议收敛原理改进，收敛速度更快（收敛速度快体现在交换机与交换机之间的收敛速度（交换机互联端口进入Forwarding状态的速度快），交换机与终端（非边缘端口）收敛速度依然慢，详见stp、rstp、mstp对比。

stp、rstp端口状态

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总结：stp、rstp、mstp先选举端口角色，再进入端口状态的变化。

stp拓扑变化

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  1. 交换机A非边缘端口up或down后，会发送TCN BPDU给上游交换机，上游交换机B收到后发送TCA 置位的BPDU，用来告知交换机A停止发送TCN BPDU，交换机B同时发送TCN BPDU再给上游交换机，直至根桥收到TCN BPDU为止。
  2. 根桥收到 TCN BPDU后，发送 TC、TCA置位的BPDU，TCA目的是停止下游交换机发送TCN BPDU，TC的目的让下游所有交换机删除mac地址。

rstp拓扑变化

  1. 检测拓扑变化的标准只有1个：非边缘端口进入Forwarding状态。

    • 此时，交换机A将自己非边缘端口、根端口启动一个定时器（hello时间的2倍），同时向自己所有非边缘端口、根端口发送TC置位的RST BPDU，定时器超时后停止发送。交换机B收到交换机A发送的TC置位的RST BPDU后，删除除收到RST BPDU端口（其它所有端口）的mac地址。

    • 同时交换机B为自己所有非边缘端口、根端口启动一个定时器，向自己所有非边缘端口、根端口发送TC置位的RST BPDU（重复A的操作）

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P/A机制

  1. P/A机制是rstp对stp的改进（利用flags字段中的6位）
  2. P/A机制的目的是 使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。

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​ stp端口状态变化过程

  • SW01和SW02之间运行stp，当SW01与SW02互联，SW01选举为根桥，SW01的E0/0/2接口（指定端口）要经过blocking-listensing-learning-Forwarding，经过15s的转发延迟后才进入Forwarding状态。（SW02 E0/0/2端口为根端口也要经过15s进入转发状态）
  • SW01和SW02之间运行RSTP，SW01和SW02之间选举根端口、指定端口后，通过P/A机制协商，使SW01 E0/0/2接口（指定端口）尽快进入Forwarding状态。
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普通P/A机制与增强P/A机制

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  1. 上游设备收到下游设备的Agreement报文后，将端口状态由discarding状态 转变为 Forwarding状态，端口角色没有变化（依旧是指定端口）

    • 在运行生成树的通信网络中，如果华为公司的数据通信设备与其他厂商设备混合组网，可能会因为与其他厂商设备的Proposal/Agreement机制不同导致互通失败。需要根据其他厂商设备的Proposal/Agreement机制，选择端口使用增强的快速迁移机制还是普通的快速迁移机制。

    • 华为设备：

      执行命令interface G0/X，进入参与生成树协议计算的接口视图。

      执行命令stp no-agreement-check，配置端口使用普通的快速迁移方式。

      缺省情况下，端口使用增强的快速迁移机制。

stp优化

  1. 通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解及部署

  2. 端口状态的重新划分

  3. 配置BPDU格式的改变，充分利用了STP协议报文中的Flag字段，明确了端口角色

  4. 配置BPDU的处理发生变化

    • 拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式

    • 更短的BPDU超时计时

    • 处理次等BPDU

  5. 快速收敛

    • P/A机制

  6. 保护功能

stp的保护

  1. 边缘端口（stp edged-port）

    • 边缘端口的UP、down交换机不会发送TC BPDU

    • 边缘端口+BPDU保护：边缘端口收到stp BPDU报文 端口将会被Error-Down

    • 边缘端口如果不配置BPDU保护，端口收到交换机BPDU报文后会当作普通非边缘端口（一旦边缘端口收到配置BPDU，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡）所以交换机要配置BPDU保护。

  2. BPDU保护（stp bpdu-protection）

    • 配合边缘端口使用

  3. 根保护（stp root-protection）

    • 配置在根桥的指定端口（当收到更优的BPDU后，将端口状态变为discarding状态，经过一定时间（通常2倍 Forwarding 延迟）没有收到更优的BPDU，将端口状态恢复）

  4. TC-BPDU保护（stp tc-protection）

    • 交换机收到TC BPDU后会删除mac表（可能也会删除arp表），当交换机收到大量TC报文 交换机频繁删表会给设备造成很大性能压力，可以设置一个TC接受阈值，超过此阈值在1个定时器时间内不做处理。

  5. 环路保护

    • 防止链路拥塞，造成1台交换机环路影响其它交换机

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how's stp

stp组网

  1. 常用组网方式：三角形组网

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stp排障

stp常见故障

  1. stp频繁计算导致网络震荡
    • 网络中频发TC报文，导致交换机频繁删除mac表（根因：接入交换机端口没有配置边缘端口，非边缘端口频繁UP、down）

排障命令

	<Huawei>display stp topology-change 
	 CIST topology change information
	   Number of topology changes             :31
	   Time since last topology change        :0 days 1h:13m:5s
	   Topology change initiator(detected)    :Ethernet0/0/1
	   Number of generated topologychange traps :   17
	   Number of suppressed topologychange traps:   0
	
	查看stp拓扑变化的记录
	
	
	<Huawei>display stp tc-bpdu statistics 
	 -------------------------- STP TC/TCN information --------------------------
	 MSTID Port                        TC(Send/Receive)      TCN(Send/Receive)
	 0     Ethernet0/0/3               39/0                  0/0 

	查看设备收发TC/TCN报文的数量

华三：
display stp bpdu-statistics

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华三：

display stp tc

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华三/华为：
display stp

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xx现网

  1. MSTP协议报文存在两种格式，一种为dot1s，即IEEE802.1s规定的报文格式，另一种为legacy，是一种私有报文格式，配置时，可以指定报文的格式，也可以配置MSTP协议报文格式自适应的功能，即根据收到的MSTP协议报文格式自动切换端口支持的MSTP协议报文格式，使报文格式与对端匹配。
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  1. 当部署MSTP的网络中存在华为设备与其他制造商的设备互连时，如果两台设备的域名、修订级别和VLAN映射表都一致，但是由于BPDU报文密钥不一致导致不能互通，则可执行本命令使得华为设备的BPDU报文与其他制造商设备的BPDU报文互通。
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posted @ 2022-03-14 16:53  wefjack  阅读(275)  评论(0)    收藏  举报