STP学习心得

1、 STP协议叫什么？

STP是Spanning Tree Protocol的缩写，译名生成树协议。

2、 STP产生的背景？

在二层网络中没有TTL概念，如果存在环路，如图1当PC3发送一个广播帧ARP后，交换机SW1除去0/0/1以外的其它所有端口（0/0/2，0/0/10，0/0/6）会将该数据帧复制并发送出去，该ARP帧随后被SW2的0/0/5和SW3的1/0/0接收，SW2的0/0/10和0/0/6端口再复制发送，SW3的1/0/4和1/0/1端口会再复制发送……依此规律每个接到该帧的交换机都会将ARP复制到非接收端口后继续发送，循环往复，最终导致广播风暴。

广播风暴不仅会导致流量倍增，还会造成mac地址表不稳定，交换机在每次接收到数据帧时都从中学习对应的mac地址，写入到自己的mac缓存表中，在广播风暴中，mac表会被不断的刷新，导致其不稳定。

图1

另外，环路还会将单播帧重复拷贝。如图1，当PC3发送一个单播帧给PC4时，SW1接收到该帧时，如果SW1还没有学习到PC4的mac地址，根据交换机原理，对未知单播进行洪泛转发（上面说到的除去接收端口意外的端口都转发），和广播风暴类似，只有当该帧发送到SW4时（SW4知道PC4接在自己的1/0/4端口上）才会发送给PC4，原本PC3只是给PC4发送一个单播帧，而PC4却接收到了很多个单播帧，这样导致网络环境出现问题，比如流量计费不精确问题。

提问：在上述中PC3向PC4发送一个单播帧时，PC4到底会收到多少个单播帧？

基于上述种种环路产生的各种网络问题，STP被设计出来解决这些问题。

3、 BPDU是什么？

STP通过拥塞冗余路径上的一些端口，确保达到任何一个目的地的逻辑路径只有一条。STP借用交换BPDU(Bridge Protocol Data Unit，桥接数据单元)来阻止环路。BPDU是二层报文。BPDU中包含了计算生成树的参数信息。 BPDU包含主要字段如下：

协议ID：该值总为0。

版本号：STP的版本(为IEEE 802.1d时值为0)。 报文类型：BPDU类型(配置BPDU=0，TCN BPDU=80)。

标记域：LSB(最低有效位)=TCN标志；MSB(最高有效位)=TCA标志。

根网桥ID：根信息由2字节优先级和6字节ID组成。这个信息组合标明已经被选定为根网桥的设备标识。

根路径成本：路径成本为到达根网桥交换机的STP开销。表明这个BPDU从根网桥传输了多远，成本是多少。这个字段的值用来决定哪些端口将进行转发，哪些端口将被阻断。

发送网络桥ID：发送该BPDU的网桥信息。由网桥的优先级和网桥ID组成。 端口ID：发送该BPDU的网桥端口ID。

计时器：计时器用于说明生成树用多长时间完成它的每项功能。这些功能包括报文老化时间、最大老化时间、访问时间和转发延迟。

最大老化时间：网桥将根桥看做不可用前保留根ID的最大时间。 访问时间：根网桥连续发送BPDU的时间间隔。 转发延迟：网桥在监听学习状态所停留的时间。

4、 STP算法

STP使用STA（Spanning Tree Algorithm，生成树算法）来决定交换机上的哪些端口被堵塞用来阻止环路的发生，STA选择一台交换机作为根交换机，称作根桥（Root Bridge），以该交换机作为参考点计算所有路径。 5、 根交换机选举

首先要知道什么是BID（Bridge ID，桥ID），因为根交换机的选举是基于BID的，BID由三部分组成:优先级、发送交换机的MAC地址、Extended System ID（扩展系统ID，可选项）如下图所示:

BID一共8个字节，其中优先级2个字节，MAC地址6个字节。在不使用Extended System ID的情况下，BID由优先级域和交换机的MAC地址组成，针对每个VLAN，交换机的MAC地址都不一样，交换机的优先级可以是0-65535。在使用Extended System ID的情况下每个VLAN的MAC地址可以相同，默认值1。值得一提的是，现在的交换机普遍使用Extended System ID。拥有最小BID的交换机被选举成为根交换机。

选举过程：在同一个广播域中的所有交换机都参与选举根交换机，当一台交换机启动时，它假设自己是根交换机，并默认每隔2秒发送一次“次优BPDU”帧，BPDU帧中的Root ID（根交换机的BID）和本机的BID相同。在一个广播域中的交换机互相转发BPDU帧，并且从接收到的BPDU中读取Root ID，如果读取到的Root ID比本交换机的BID小，交换机更新Root ID为这个较小的Root ID，然后继续转发修改后的BPDU；如果接收的BPDU中的Root ID比本交换机的BID大，那么继续将自己的BID作为Root ID向外发送BPDU，直到最后在同一个生成树实例中拥有一致的Root ID，这个Root ID对应了这个广播域中某台交换机的BID（并且这个BID一定是这个广播域最小的），这台交换机就被选作根交换机。当两个RootID一致时，再比较mac地址，mac地址小的作为根交换机。 6、 路径花销和端口花销

路径花销是指从根交换机出发达到目的交换机进入端口的总花销。如果一台交换机有多条路径达到根交换机，那么会选取花销最小的那条路径。如下图是默认的端口花销对照表。

参照表只是默认花费，端口的花费是可以手动修改的，如下图修改命令，但是部分交换机是不支持修改的。

7、 STP端口角色 根端口 指派端口 Root Port,RP，每个非根交换机上有且仅有一个根端口，到达根交换机花销最小，优先级最小的端口。 Designated Port,DP，网桥上除根端口外，所有允许转发流量的端口，每个网段都有一个指派端口，根交换机上的端口都是指派端口。 非指派端口 Blocking既不是根端口也不是指派端口，这种端口虽然是激活的但是会被堵塞(Blocking)用来阻止环路。根端口和指派端口都处于转发(Forwarding)状态。 禁用端口

8、 STP端口状态 Down Blocking 禁用状态，可以使用”no shutdown”之类的命令和插入网线来激活。 阻塞状态，链路激活后转入阻塞状态，这个状态大约停留20秒，主要用来确定该端口的角色。如果判断出该端口是非指派端口，则将保持在这一状态，即阻塞，如果处在阻塞状态的端口接收不到BPDU了，也会转入下一状态。如果判断出是其他端口角色，则转入下一状态。 侦听状态，这个状态大约停留15秒，除了接收BPDU外，还向邻居发送BPDU，通知邻居它将参与激活拓扑。 学习状态，大约停留15秒，开始学习MAC地址。 转发状态，端口可以转发数据帧。 被管理员使用”shutdown”命令关闭的端口称作禁用端口，禁用端口不参与生成树算法。 Listening Learning Forwarding

9、 BPDU的几种时间 Hello Time Max Age Hello时间控制了发送BPDU的时间间隔，默认2秒。这是根交换机生成BPDU并向非根交换机发送的间隔。 非根交换机接收到根交换机发送来的BPDU，再从除接收端口以外的其他端口转发出去，如果在2-20秒里面由于网络故障没有新的BPDU从根交换机发送过来，非根交换机将停止向外发送从根交换机接收到的BPDU。如果这种情况持续20秒，也就是最大存活期，非根交换