STP是什么？

简介

为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

环路引发的问题

二层交换网络

• 交换机之间通过多条链路互连时，虽然能够提升网络可靠性，但同时也会带来环路问题。
• 随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如果交换机之间仅使用一条链路互连，则可能会出现单点故障，导致业务中断。为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。
• 冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题

广播风暴

• 环路会引起广播风暴。
• 网络中的主机会收到重复数据帧。

MAC地址震荡

1. 交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。
2. 主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/3，并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。
3. SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。
4. SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。
5. SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。

• 环路会引起MAC地址表震荡

STP工作原理

STP作用

• STP通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份的目的

• 在以太网中，二层网络的环路会带来广播风暴，MAC地址表震荡，重复数据帧等问题，为解决交换网络中的环路问题，提出了STP。
• STP的主要作用：

1. 消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
2. 链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连通性。

STP操作

• STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。
• 每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部，是STP网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种信息被称为BPDU。BPDU中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息，后面会有详细介绍。
• STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口和预备端口。
• 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。
• 根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。
• 如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

根桥选举

每一台交换机启动STP后，都认为自己是根桥。

• STP中根桥的选举依据的是桥ID，STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。
• 交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。

根端口选举

• 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID、对端PID和本端PID

• 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。
• 交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC（Root Path Cost，根路径开销），并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。
• 一般情况下，企业网络中会存在多厂商的交换设备，华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供最大程度的兼容性。缺省情况下，华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。
• 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID（Port ID)可以用来确定端口角色。
• 每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个最近的衡量标准是靠路径开销来判定的，即路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中根路径开销字段的值，加上该端口本身的端口开销即为本端口路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。
• 如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上，则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上，则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。

指定端口选举

非根交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、BID、PID

• 在网段上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU报文的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。
• 指定端口的选举也是首先比较累计路径开销，累计路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计路径开销和所在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。
• 网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。

端口状态转换

图中所示为STP的端口状态迁移机制，运行STP协议的设备上端口状态有5种：

• Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。
• Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。
• Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。
• Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
• Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。

BPDU

• BPDU包含桥ID、路径开销、端口ID、计时器等参数

• 为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。
• BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。
• 配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
• TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。
• 配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，其中包含的重要信息如下：
• 根桥ID：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根桥。
• 根路径开销：到根桥的最短路径开销。
• 指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC地址组成。
• 指定端口ID：由指定端口的优先级和端口号组成。
• Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期。
• Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
• Hello Time：配置BPDU发送的周期。
• Forward Delay：端口状态迁移的延时。

计时器

• 配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age都加1。
• 如果Message Age大于Max Age，非根桥会丢弃该配置BPDU。

STP协议中包含一些重要的时间参数，这里举例说明如下：

• Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效。
• 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。

STP拓扑变化

根桥变化

• 非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举

• 在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

直连链路故障

• SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。
• SWB新的根端口会在30 秒后恢复到转发状态

• 此例中，SWA和SWB使用了两条链路互连，其中一条是主用链路，另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后，如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障，则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态，经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态。

非直连链路故障

• 非直连链路故障后，SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒

• 本例中，SWB与SWA之间的链路发生了某种故障（非物理层故障），SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。等待Max Age定时器超时后，SWB会认为根桥SWA不再有效，并认为自己是根桥，于是开始发送自己的BPDU报文给SWC，通知SWC自己作为新的根桥。在此期间，由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。所以，Max Age定时器超时后，SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后，SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。

拓扑改变导致MAC地址表变化

• 拓扑变化过程中，根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
• 拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：
• SWC感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCN BPDU报文。
• SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SWC，告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
• SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
• SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forward Delay的时间（默认为15秒）。
• 最多等待15秒之后，SWB中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SWB就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。