HCIA笔记-STP

 

STP

 

  • STP，全程Spanning-Tree Protocol，生成树协议
  • 协议作用：防止二层网络环路。
    • 为了避免单点故障，出于冗余考虑，一般会部署冗余设备和冗余链路。当主设备或主链路故障时，备份设备或链路可以继续正常工作，避免网络中断。但同时就产生了二层的环路。如图，SW1----SW2---SW3之间就是一个环路，同样SW1-SW2-SW4之间也时一个环路。

　　

 

 

 

  • 二层环路带来的影响：
    • 1、广播风暴：广播数据帧会在二层环路中永无止境的转发，这将消耗大量的设备性能和带宽资源；
    • 2、MAC地址表震荡：二层环路会导致MAC地址表频繁变化，影响数据转发；
    • 既然被称为生成树，那么其逻辑也和大树类似，需要有一个“树根”。在生成树协议中，“树根”被称为根桥，即根交换机。
    • STP工作过程：

　　　　

 

 

 

 

  •  例如上面图中的拓扑，共有4台交换机互联组网，每台交换机的BID如图所示。
    • 1、第一步选举根桥
      • 初始状态，所有交换机都会认为自己是根桥。运行STP的交换机，默认每2秒发送一次BPDU（Bridge Protocol Data Unit），即网桥协议数据单元，其中包含了自己的BID（Bridge ID，桥ID），PID（Port ID，接口ID），RPC（Root Path Cost，根路径开销）等信息。交换机之间通过交互BPDU之后，就知道了对端交换机的BID。通过比较BID大小，来选举STP中的根桥。BID最小的最终选举胜出。
      • BID由两部分组成：桥优先级和桥MAC地址。例如4096.00-01-02-03-04-AA。其中4096代表桥优先级，00-01-02-03-04-AA代表交换机的MAC地址。在交换机上通过display stp命令来查看桥ID。
      • 例如，上图中四个交换机，通过交互BPDU之后，BID最小的SW1将会成为根桥，其他交换机都是非根桥。
    • 2、第二步选举根端口
      • 根桥选举结束之后，接着需要选举根端口。根端口是在非根桥的交换机上，选举出一个到根桥“最近”的一个接口。交换机判断举例根桥“远近距离”的依据是RPC根路径开销，开销值越小，距离根桥“越近”。选举过程如下：
      • 第一步，比较RPC。对比交换机自身所有UP的接口到根桥的路径开销。RPC值最小的接口选举胜出，成为根端口。若RPC相同，则比较第二步；
      • 第二步，比较对端BID。从所有接口收到的BPDU中，对比所有对端交换机的BID，BID最小的对应的接口胜出，成为根端口。若对端BID相同，则比较第三步；
      • 第三步，比较对端PID。从所有接口收到的BPDU中，对比所有对端交换机和自己本端相连的PID，PID最小的对应的接口胜出，成为根端口。
      • 举例，按照上面拓扑图中所示。SW2可以有两条路径到达根桥，一条路径是从G0/0/1接口向上出发到达根桥，另一条路径是从G0/0/2接口向下出发，经过SW4和SW3，到达SW1。RPC的值，等于交换机接收BPDU的接口的Cost值累加。
      • 默认情况下，接口Cost值等于20000000除以接口带宽。例如接口带宽我为千兆时，Cost=20000000/1000=20000
        • 对于第一条路径，根桥的BPDU到达SW2，只经过了SW2的G0/0/1口，因此这条路径RPC值为20000；
        • 对于第二条路径，根桥的BPDU到达SW2，经过了SW3的G0/0/1口，SW4的G0/0/2口，SW2的G0/0/2口，因此这条路径的RPC值为20000+20000+20000=60000
        • 经过PK两条路径的RPC，第一条路径的RPC小于第二条路径的RPC，因此，SW2的G0/0/1口成为了根端口。
      • SW4选举根端口。第一条路径可以从G0/0/1接口出发到达根桥，第二条路径可以从G0/0/2口到达根桥。
        • 第一步，PK两条路径的RPC，第一条路径的RPC为40000，第二条路径RPC也为40000。两条路径的RPC相同，因此需要第二步PK。
        • 第二步，PK需要比较两条路径的对端的BID，即比较SW2和SW3的BID。经过PK，SW2的BID小于SW3的BID，因此第一条路径胜出。SW4的G0/0/1口成为根端口。
      • SW3选举根端口。SW3共有三条路径到达根桥，第一条路径是从G0/0/1口出发到达根桥，第二条路径是从G0/03口出发到达根桥，第三条路径是从G0/0/2口出发，经过SW4，SW2到达根桥。
        • 第一步，先PK三条路径的RPC，第一条路径RPC为20000，第二条路径RPC为20000，第三条路径为60000，因此，排除第三条路径，然后继续PK；
        • 第二步，PK对端的BID。第一条路径和第二条路径，对端的BID都是SW1的BID，因此BID也相同，无法分出“胜负”，因此继续PK；
        • 第三步，PK对端的PID。PID是由接口优先级和接口号组成。默认接口优先级为128。例如G0/0/1口的PID为128.1，G0/0/2口的PID为128.2。两条路径上，对端的PID分别为128.1和128.2。经过PK，第一条路径上对端PID更小，因此第一条路径“胜出”，SW3的G0/0/1口成为根端口。
    • 3、选举指定端口
      • 根端口选举结束之后，开始指定端口的选举。每个链路上都要选举出来一个指定端口。根桥上所有接口都为指定端口。
      • 指定端口选举过程如下：
        • 第一步，比较根端口RPC。在一条链路上，双方交换机互相对比自己的根端口的RPC，RPC小的一方胜出，成为指定端口。若双方RPC一致，则比较第二步；
        • 第二步，比较BID。在一条链路上，双方互相对比BID，BID小的一方胜出，成为指定端口。若双方BID一致，则比较第三步；
        • 第三步，比较PID。在一条链路上，双方互相对比PID。PID小的一方胜出，成为指定端口。
      • 举例，按照上图拓扑图中所示，在SW3和SW4之间的链路上选举指定端口。
        • 第一步，比较RPC。SW3的根端口RPC为20000，SW4的根端口RPC为40000。SW3的根端口RPC更小，因此SW3胜出，这条链路上SW3的G0/0/2口成为指定端口。
        • 假如我们修改SW3的G0/0/1和G0/0/3的端口开销都修改为40000，修改之后，根端口依旧为G0/0/1，RPC变为了40000。此时，SW3和SW4的根端口RPC一致，因此两者之间链路上的指定端口选举，就需要第二步比较。
        • 第二步，比较BID。双方互相比较自己的BID。SW3的BID要小于SW4的BID，因此经过第二步比较，SW3胜出，SW3的G0/0/2口成为指定端口。
        • 假如我们将SW3的G0/0/4口和G0/0/5口连接起来，此时这两个接口要选举指定端口时，就需要比较第三步；
          • 对于SW3的G0/0/4和G0/0/5口而言，前两步比较的根端口RPC和BID都一致，因此比较第三步。
          • 两个接口经过比较，G0/0/4的PID小于G0/0/5，因此G0/0/4将会成为指定端口。
    • 4、阻塞非根非指定端口。
      • 将所有链路中既不是根端口也不是指定端口的接口进行阻塞，打破二层环路。
  • 端口状态变化
    • STP的端口状态共有5种，依次是：
    • 状态 是否接收BPDU 是否转发BPDU 是否学习MAC地址 是否转发数据
      Disabled 否 否 否 否
      Blocking 是 否 否 否
      Listerning 是 是 否 否
      Learning 是 是 是 否
      Forwarding 是 是 是 是
    • 端口状态转换过程是表格中由上至下的过程：
      • 端口初始状态为Disabled，当端口开启之后，状态就会从Disabled变为Blocking；
      • 当根桥、根端口、指定端口选举完成之后，没有被阻塞的端口将会进入Listerning状态，被阻塞的端口依然保持Blocking状态；
      • Listerning状态转变为Learning状态，需要等待一个Forward Delay时间，默认情况下，一个Forward Dely时间为15秒；
      • Learning状态转变为Forwarding状态，需要再等待一个Forward Delay时间。
      • 当端口状态转变为Forwarding之后，才可以转发数据。
  • BPDU报文内容
PID PVI BPDU Type Flags Root ID RPC Bridge ID Port ID Message Age Max Age Hello Time Forward Delay

协议ID

0x0000

协议版本

STP时为0

RSTP时为2

MSTP时为3

 
BPDU类型
配置BPDU：负责建立，维护STP拓扑
 TCN BPDU：传达拓扑变更

标记字段 

TC BPDU

TCA BPDU

  根桥的BID 根路径开销   交换机自己的桥ID 端口ID 配置BPDU在网络中传播的生存期  配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期

发送BPDU的时间间隔

默认2秒 

端口状态迁移的延时
    •  Message Age：Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。
    • Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。
posted @ 2021-05-26 14:58  丨Kang  阅读(928)  评论(0)    收藏  举报