STP(802.1d)
Tuesday, May 01, 2012
10:41 PM
在网络中，为了防止单点的故障，设计了冗余的网络结构，但这种网络冗余结构可能会造成广播风暴和MAC地址表不稳定。
当某台设备收到同一个帧的多个复制品,因为那个帧可能通过不同的网段同时到达。也许你会这样想：MAC地址过滤表将被设备的位置完全弄糊涂了，因为交换机可能从多条链路接收帧。更严重的是，交换机会不断地用源硬件地址位置更新MAC过滤表，这样它就没有时间来转发帧了。这被称为MAC地址表不稳定。
生成树协议（Spanning Tree Protocol）
STP的主要任务是阻止在第2层网络上产生网络环路。它警惕地监视着网络中的所有链路，通过关闭任何冗余的接口来确保在网络中不会产生环路。STP采用生成树算法（Spanning-Tree Algorithm，STA），它首先创建一个拓扑数据库，然后搜索并破坏掉冗余的链路。运行了STP算法之后，帧就只能被转发到保险的有STP挑选出来的链路上。
STP是第2层的协议，用来维护一个无环路的交换式网络。
生成树术语
根桥（Root bridge）
根桥是桥ID最低的网桥。对于STP来说，关键的问题是为网络中所有的交换机推选一个根桥，并让根桥成为网络中的焦点。在网络中，所有其他的决定-比如哪一个端口要被阻塞，哪一个端口要被置为转发模式--都是根据根桥的判断来做出选择的。
BPDU（Bridge Protocol Data Unit桥协议数据单元）
所有的交换机相互之间都交换信息（默认每2秒发送一次BPDU），并利用这些信息来选出根交换机，也根据这些信息来进行网络的后续配置。每台交换机都对BPDU中的参数进行比较，他们将BPDU传送给某个邻居，并在其中放入他们从其他邻居那里收到的BPDU。
桥ID（Bridge ID）
STP利用桥ID来跟踪网络中的所有交换机。桥ID是由桥优先级（在所有的Cisco交换机上，默认的优先级为32768）和MAC地址的组合来决定的。在网络中，桥ID最小的网桥就成为根桥。
非根桥（Nonroot bridges）
除了根桥外，其他所有的网桥都是非根桥。他们相互之间都交换BPDU，并在所有交换机上更新STP拓扑数据库，以防止环路并对链路失效采取补救措施。
端口开销（Port cost）
当两台交换机之间有多余链路且都不是根端口时，就根据端口开销来决定最佳路径，链路的开销取决于链路的带宽。
根端口（Root port）
根端口是指直接连到根桥的链路所在的端口，或者到根桥的路径最短的端口。如果有多条链路连接到根桥，就通过检查每条链路的带宽来决定端口的开销，开销最低的端口就成为根端口。如果多条链路的开销相同，就使用桥ID小一些的那个桥。如果多条链路来自同一个设备，就使用端口号最低的那条链路。
指定端口（Designated port）
有最低开销的端口就是指定端口，指定端口被标记为转发端口。
非指定端口（Nondesignated port）
非指定端口是指开销比指定端口高的端口，非指定端口将被置为阻塞状态，它不是转发端口。
转发端口（Forwarding port）
只能够转发帧的端口。
阻塞端口（Blocked port）
阻塞端口是指不能转发帧的端口，这样做是为了防止产生环路。然而，被阻塞的端口将始终监听（Listen）帧。
生成树的操作
·STP首先选举一个根桥，由根桥来负责决定网络拓扑。一旦所有的交换机都同意将某台交换机选举为根桥，其余的每台交换机就必须找到其唯一的根端口。
·在两台交换机之间的每一条链路必须有唯一的指定端口----在那条链路上的端口提供到根桥最大的带宽。重要的是记住，一个网桥到达根桥可能通过许多其他网桥，即它不总是最短路径，但它是将被使用的最快（最大带宽）的路径。
·显然，在根交换机上的每个端口都是指定端口，因为根桥离自己总是最近的。在执行STP算法之后，任何既不是根端口也不是指定端口的端口（这意味着它是非根端口、非指定端口）就被置为阻塞状态，这样就打破了交换环路。
如何选举根桥
在网络中，桥ID用来选举根桥，并决定根端口。桥ID为8个字节长（包括2个字节的BridgePriority和6个字节的Bridge MAC），其中包括了设备优先级和MAC地址，在运行IEEE STP版本的所有设备上，默认时的优先级都为32768.
选举根桥
先比较优先级，优先级的数值越小，优先级越高。如果优先级相同，则比较MAC地址，MAC地址小的成为跟桥。
在非根桥交换机上选举根端口
各个非根桥交换机根据到达根交换机的路径开销的大小选出根端口，根端口工作在转发状态。端口开销是一个可以累加的基于带宽的值。多段路径的开销进行累加，开销较小的成为根端口。下面是一些典型的开销标准：
10Gbps | 2 |
1Gbps | 4 |
100Mbps | 19 |
10Mbps | 100 |
选举指定端口
首先根据到根桥的端口开销，如果相同，再比较经过的交换机的Bridge ID，较低的成为指定端口。
查看STP状态的命令为 | Switch(config)#show spanning tree |
查看STP主要状态的命令为 | Switch(config)#show spanning tree brief |
改动交换机vlan下优先级的命令(例) | Switch(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096 |
桥优先级以数值4096递增。
修改交换机STP优先级命令 | Switch(config)#spanning tree priority |
生成树端口状态：
对于运行STP的网桥或交换机来说，其端口状态会在下列5种状态之间转变：
阻塞(Blocking)
当交换机加电时，默认情况下所有端口都处于阻塞状态。
Blocking状态下,丢弃所有收到的数据帧,不学习MAC地址,能收BPDU但不发送BPDU。
侦听(Listening)
端口都侦听和处理BPDU以确信在传送数据帧之前，在网络上没有环路产生，并进行STP计算，不学习MAC地址。
学习(Learning)
交换机端口侦听BPDU，并学习交换式网络中的所有路径。处在学习状态的端口形成了MAC地址表，但不能转发数据帧。转发延迟意味着将端口从侦听状态转换到学习状态所花费的时间，默认时设置为15秒，可以用命令show spanning tree显示出来。
转发(Forwarding)
在桥接的端口上，处在转发状态的端口发送并接收所有的数据帧。如果再学习状态结束时，端口仍然是指定端口或根端口，它就进入转发状态。
禁用(Disabled)
从管理上讲，处于禁用状态的端口不能参与帧的转发或形成STP。处于禁用状态下，端口实质上是不工作的，但是能接收BPDU.
说明：只有在学习状态或转发状态下，交换机才能填写MAC地址表。
大多数情况下，交换机端口都处在阻塞或转发状态，转发端口是指到根桥的开销最低的端口，但如果网络的拓扑改变了，交换机上的端口就会处于侦听或学习状态。
收敛
当网桥或交换机上的所有端口都转变到转发或阻塞状态时，就产生了收敛。在收敛完成之前，交换机不能转发任何数据。在重新转发数据之前，所有的设备都必须更新。是的，STP正在收敛时，所有主机的数据都会停止发送！因此，如果你想让网络中的用户能够继续发送数据（或者保持他们在任何时候都有可用链路），就必须保证交换式网络的实际设计确实很好，以便STP能够快速收敛。从阻塞状态转变到转发状态通常要花50秒。
当交换机启动后，都认为自己是根交换机，然后从所有接口向网络中发送BPDU，称为configuration BPDU，所以configuration BPDU是根交换机发出的。当交换机收到更优Bridge-ID的configuration BPDU，会将它从自己所有接口转发出去，并保存在接口，如果收到差的configuration BPDU，则全部丢掉，所以在交换网络中，只有根交换机的BPDU在转发，其它普通交换机的BPDU不会出现在网络中。
根交换机的BPDU会在每个hello时间往网络中发送一次，hello时间默认为2秒钟，也就是交换机的BPDU会在每2秒钟往网络中发送一次，如果普通交换机在max-age时间内没有收到根交换机的BPDU，则认为根交换机已经失效，便开始重新选举BPDU，默认max-age时间为20秒，即10倍hello时间。
除了hello时间和max-age时间外，还有一个forward delay时间，默认为15秒，接口在经过Listening 和Learning状态时，都会分别停留一个 forward delay时间，也就是说接口从Listening状态到Learning状态，最后变成转发状态，需要经过两个forward delay时间共计30秒。
