STP生成樹協議——演算法和過程
阿新 • • 發佈：2019-01-08
比較兩個BID的大小的原則：一是網橋優先順序小的BID優先，二是如果網橋優先順序相同，BID中的後六個位元組的MAC小的則BID優先。
2、路徑開銷：
路徑開銷是生成樹演算法的第二個引數，決定到根網橋（根交換機）的路徑。
通俗說，路徑開銷是用來衡量網橋之間的距離的遠近的，其值是兩個網橋之間某條路徑上所有鏈路開銷的總和。
路徑開銷與跳數無關。
路徑開銷決定到根網橋或根交換機的最佳路徑，最小的路徑開銷是到根交換機的最佳路徑。
路徑開銷的值的規律：頻寬越大，STP開銷越小。
3、埠ID：埠ID是生成樹演算法的第三個引數，也決定到根交換機的路徑。它由2個位元組組成，包括“埠優先順序”和“埠號”，各佔8位。
埠優先順序值從0－255，預設128；埠號包括256個。
埠ID大小的判定與BID大小的判定相同。
二、STP的過程
1、STP判決和BPDU交換：
當建立一個邏輯無環的拓撲時，STP總是通過傳送BPDU的第二層幀來傳遞生成樹協議，並執行相同的4步判決順序：
步驟1，確定根交換機；
步驟2，計算到根交換機的最小路徑開銷；
步驟3，確定最小的傳送者BID；
步驟4，確定最小的埠ID。
網橋為每個埠儲存一個其收到的最佳BPDU，當有其他的BPDU到達交換機的埠時，交換機會使用四步判決過程來判斷此BPDU是否比該埠原來儲存的BPDU更好，如果新收到的BPDU（或者本地生成的BPDU）更好，則替換原有值。
當一個網橋第一次被啟用時，其上所有埠每隔一個HELLO時間（預設2秒）傳送一次BPDU；如果一個埠發現從其他網橋收到的BPDU比自己傳送的好，則本地埠就停止傳送BPDU；如果在MAX AGE（最大生存時間，預設20秒）內沒有從鄰居網橋收到更好的BPDU，本地埠則重新開始傳送BPDU，即最大生存時間是最佳BPDU的超時時間。
2、STP收斂的三個步驟：
生成樹演算法收斂於一個無環拓撲的初始過程包含三個選舉步驟：
步驟1 選舉一個根交換機。
步驟2 選舉根埠。
步驟3 選舉指定埠。
在網路第一次“初始”時，所有網橋都洪泛混合的BPDU資訊，網橋通過執行STP四步判決過程，形成整個網路或VLAN惟一的生成樹。在網路穩定後，BPDU從根網橋流出，沿著無環支路到達網路中的每一個網段。網路發生變化時，生成樹協議按照收斂三個步驟做出處理。
（1）選舉根交換機：
根交換機是一個具有最小BID的網橋，它是惟一的，是通過交換BPDU選舉得出來的。
BPDU的格式：BPDU是網橋之間用來交換生成樹資訊的特殊幀，它在網橋之間傳播，包括交換機和所有配置來進行橋接的路由器，BPDU不攜帶終端使用者流量。
BPDU包括根BID、根路徑開銷、傳送者BID和埠ID資訊。
也就是說，交換機通過傳遞BPDU來發現誰是最小的BID，從而將具有最小BID的網橋做為根交換機。最初時，交換機總將自己認為是根網橋，當它發現有比自己小的BID時，就將收到的具有最小BID的交換機作為根網橋。
（2）選舉根埠：
在根交換機選舉完後，就開始選舉根埠了。所謂根埠，就是按照路徑開銷最靠近根交換機的埠，也就是說具有最小根路徑開銷的埠。每一個非根交換機都必須選舉一個根埠。
（3）選舉指定埠：
通過以上兩個步驟後，生成樹演算法還沒有消除任何環路，因為還沒有選舉指定埠。所謂指定埠，就是連線在某個網段上的一個橋接埠，它通過該網段既向根交換機發送流量也從根交換機接收流量。橋接網路中的每個網段都必須有一個指定埠。
指定埠也是根據最小根路徑開銷來決定，因此根交換機上的每個活動埠都是指定埠，因為它的每個埠都具有最小根路徑開銷（實際是它的根路徑開銷是0）。
注意：指定埠只在中繼埠（TRUNK口）起作用。接入埠在指定埠選舉中不起任何作用。接入埠是用來連線到主機或者三層埠的。
3、STP狀態
在網橋已經確定了根埠、指定埠和非指定埠後，STP就準備開始建立一個無環拓撲了。
為建立一個無環的拓撲，STP配置根埠和指定埠轉發流量，非指定埠阻塞流量。
實際上，STP決定埠轉發和阻塞看似只有這兩個狀態，實際上是有五種狀態的。
（1）、Disabled（為了管理目的或者因為發生故障將埠關閉）；
（2）、Blocking（在初始啟用埠之後的狀態。埠不能接收或者傳輸資料，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU（bridge protocol data unit）。如果檢測到有一個橋接環，或者埠失去了它的根埠或者指定埠的狀態，那麼就會返回到Blocking狀態）；
（3）、Listening（如果一個埠可以成為一個根埠或者指定埠，那麼它就轉入監聽狀態。此時埠不能接收或者傳輸資料，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和傳送BPDU）；
（4）、Learning（在Forward Delay計時時間到（預設15秒）後，埠進入學習狀態，此時埠不能傳輸資料，但可以傳送和接收BPDU，也可以學習MAC地址，並加入地址表）；
（5）、Forwarding（在下一次轉發延時計時時間到後，埠進入轉發狀態，此時埠能夠傳送和接收資料、學習MAC地址、傳送和接收BPDU）。
在這些狀態過程中，會引發網路拓撲結構發生改變。此時，發生變化的交換機會在它的根埠上每隔hello time時間就傳送TCN BPDU，直到上級的指定網橋鄰居確認了該TCN（拓撲結構變化通知）為止。當根網橋收到後，會發送設定了TC（topology change，拓撲改變）位的BPDU，通知整個生成樹拓撲結構發生了變化。這會讓所有的下級交換機把它們的Address Table Aging（地址表老化）計時器從預設值（300秒）降為Fordwarding Delay（預設為15秒），從而讓不活動的MAC地址比正常情況下更快地從地址表更新掉。
2、路徑開銷：
路徑開銷是生成樹演算法的第二個引數，決定到根網橋（根交換機）的路徑。
通俗說，路徑開銷是用來衡量網橋之間的距離的遠近的，其值是兩個網橋之間某條路徑上所有鏈路開銷的總和。
路徑開銷與跳數無關。
路徑開銷決定到根網橋或根交換機的最佳路徑，最小的路徑開銷是到根交換機的最佳路徑。
路徑開銷的值的規律：頻寬越大，STP開銷越小。
3、埠ID：埠ID是生成樹演算法的第三個引數，也決定到根交換機的路徑。它由2個位元組組成，包括“埠優先順序”和“埠號”，各佔8位。
埠優先順序值從0－255，預設128；埠號包括256個。
埠ID大小的判定與BID大小的判定相同。
二、STP的過程
1、STP判決和BPDU交換：
當建立一個邏輯無環的拓撲時，STP總是通過傳送BPDU的第二層幀來傳遞生成樹協議，並執行相同的4步判決順序：
步驟1，確定根交換機；
步驟2，計算到根交換機的最小路徑開銷；
步驟3，確定最小的傳送者BID；
步驟4，確定最小的埠ID。
網橋為每個埠儲存一個其收到的最佳BPDU，當有其他的BPDU到達交換機的埠時，交換機會使用四步判決過程來判斷此BPDU是否比該埠原來儲存的BPDU更好，如果新收到的BPDU（或者本地生成的BPDU）更好，則替換原有值。
當一個網橋第一次被啟用時，其上所有埠每隔一個HELLO時間（預設2秒）傳送一次BPDU；如果一個埠發現從其他網橋收到的BPDU比自己傳送的好，則本地埠就停止傳送BPDU；如果在MAX AGE（最大生存時間，預設20秒）內沒有從鄰居網橋收到更好的BPDU，本地埠則重新開始傳送BPDU，即最大生存時間是最佳BPDU的超時時間。
2、STP收斂的三個步驟：
生成樹演算法收斂於一個無環拓撲的初始過程包含三個選舉步驟：
步驟1 選舉一個根交換機。
步驟2 選舉根埠。
步驟3 選舉指定埠。
在網路第一次“初始”時，所有網橋都洪泛混合的BPDU資訊，網橋通過執行STP四步判決過程，形成整個網路或VLAN惟一的生成樹。在網路穩定後，BPDU從根網橋流出，沿著無環支路到達網路中的每一個網段。網路發生變化時，生成樹協議按照收斂三個步驟做出處理。
（1）選舉根交換機：
根交換機是一個具有最小BID的網橋，它是惟一的，是通過交換BPDU選舉得出來的。
BPDU的格式：BPDU是網橋之間用來交換生成樹資訊的特殊幀，它在網橋之間傳播，包括交換機和所有配置來進行橋接的路由器，BPDU不攜帶終端使用者流量。
BPDU包括根BID、根路徑開銷、傳送者BID和埠ID資訊。
也就是說，交換機通過傳遞BPDU來發現誰是最小的BID，從而將具有最小BID的網橋做為根交換機。最初時，交換機總將自己認為是根網橋，當它發現有比自己小的BID時，就將收到的具有最小BID的交換機作為根網橋。
（2）選舉根埠：
在根交換機選舉完後，就開始選舉根埠了。所謂根埠，就是按照路徑開銷最靠近根交換機的埠，也就是說具有最小根路徑開銷的埠。每一個非根交換機都必須選舉一個根埠。
（3）選舉指定埠：
通過以上兩個步驟後，生成樹演算法還沒有消除任何環路，因為還沒有選舉指定埠。所謂指定埠，就是連線在某個網段上的一個橋接埠，它通過該網段既向根交換機發送流量也從根交換機接收流量。橋接網路中的每個網段都必須有一個指定埠。
指定埠也是根據最小根路徑開銷來決定，因此根交換機上的每個活動埠都是指定埠，因為它的每個埠都具有最小根路徑開銷（實際是它的根路徑開銷是0）。
注意：指定埠只在中繼埠（TRUNK口）起作用。接入埠在指定埠選舉中不起任何作用。接入埠是用來連線到主機或者三層埠的。
3、STP狀態
在網橋已經確定了根埠、指定埠和非指定埠後，STP就準備開始建立一個無環拓撲了。
為建立一個無環的拓撲，STP配置根埠和指定埠轉發流量，非指定埠阻塞流量。
實際上，STP決定埠轉發和阻塞看似只有這兩個狀態，實際上是有五種狀態的。
（1）、Disabled（為了管理目的或者因為發生故障將埠關閉）；
（2）、Blocking（在初始啟用埠之後的狀態。埠不能接收或者傳輸資料，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU（bridge protocol data unit）。如果檢測到有一個橋接環，或者埠失去了它的根埠或者指定埠的狀態，那麼就會返回到Blocking狀態）；
（3）、Listening（如果一個埠可以成為一個根埠或者指定埠，那麼它就轉入監聽狀態。此時埠不能接收或者傳輸資料，也不能把MAC地址加入地址表，但可以接收和傳送BPDU）；
（4）、Learning（在Forward Delay計時時間到（預設15秒）後，埠進入學習狀態，此時埠不能傳輸資料，但可以傳送和接收BPDU，也可以學習MAC地址，並加入地址表）；
（5）、Forwarding（在下一次轉發延時計時時間到後，埠進入轉發狀態，此時埠能夠傳送和接收資料、學習MAC地址、傳送和接收BPDU）。
在這些狀態過程中，會引發網路拓撲結構發生改變。此時，發生變化的交換機會在它的根埠上每隔hello time時間就傳送TCN BPDU，直到上級的指定網橋鄰居確認了該TCN（拓撲結構變化通知）為止。當根網橋收到後，會發送設定了TC（topology change，拓撲改變）位的BPDU，通知整個生成樹拓撲結構發生了變化。這會讓所有的下級交換機把它們的Address Table Aging（地址表老化）計時器從預設值（300秒）降為Fordwarding Delay（預設為15秒），從而讓不活動的MAC地址比正常情況下更快地從地址表更新掉。