柚子快報邀請碼778899分享：網(wǎng)絡(luò) STP生成樹協(xié)議

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1.STP的功能和原理

STP（生成樹協(xié)議，Spanning Tree Protocol）主要是為了防止局域網(wǎng)中由于存在冗余鏈路而產(chǎn)生的環(huán)路問題。STP通過在交換機(jī)之間傳遞BPDU（Bridge Protocol Data Unit，橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）來發(fā)現(xiàn)環(huán)路，并選擇性地阻塞某些端口，從而將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修剪成無環(huán)路的樹形結(jié)構(gòu)。這樣，即使網(wǎng)絡(luò)具有冗余鏈路，也能保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦浴?/p>

?1.1STP生成樹協(xié)議使用的原因? ? ? ??

? ? ? ? 舉個例子，首先我們需要知道STP生成樹協(xié)議是在5層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）作用的，在第二層中的設(shè)備Switch交換機(jī)上存在一個轉(zhuǎn)發(fā)表（也叫做MAC地址表，就是將一個MAC地址與學(xué)習(xí)到的端口對應(yīng)起來），轉(zhuǎn)發(fā)表會正常的學(xué)習(xí)例如SW1要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀要查找這張表來確定交給誰，是SW2或者是SW3，假設(shè)在轉(zhuǎn)發(fā)表上是交給SW2，同理，當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)SW2時，也會查找SW2上的轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行確定發(fā)給誰，在都有明確發(fā)的送的對象時，數(shù)據(jù)會準(zhǔn)確到達(dá)所要交付的設(shè)備，但是呢，在這個轉(zhuǎn)發(fā)表中存在一個問題一，就是說一個數(shù)據(jù)幀要去的地方，轉(zhuǎn)發(fā)表上還沒有學(xué)習(xí)到，那么就引來一個概念，叫做泛洪（Flooding），當(dāng)交換機(jī)收到廣播幀或未知單播幀時，由于不知道目的MAC地址的具體位置，它會將幀發(fā)送到所有端口，這個過程稱為泛洪，如圖所知，當(dāng)存在一個SW1，SW2，SW3中的轉(zhuǎn)發(fā)表都沒有的幀信息時，就會產(chǎn)生泛洪的問題，三個交換機(jī)互相發(fā)送大量的幀數(shù)據(jù)，會形成廣播風(fēng)暴（廣播風(fēng)暴是一種網(wǎng)絡(luò)異常現(xiàn)象，當(dāng)大量的廣播流量充斥網(wǎng)絡(luò)，占用大量帶寬，導(dǎo)致正常業(yè)務(wù)無法進(jìn)行，甚至使網(wǎng)絡(luò)癱瘓），其實(shí)呢，廣播風(fēng)暴只是STP生成樹協(xié)議使用的原因之一。

使用STP（生成樹協(xié)議）的主要原因是為了解決網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問題。以下是使用STP協(xié)議的幾個關(guān)鍵原因：

防止廣播風(fēng)暴：在存在環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，廣播數(shù)據(jù)包會不斷循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和性能下降。STP通過創(chuàng)建無環(huán)路的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，避免了廣播風(fēng)暴的發(fā)生。

冗余鏈路管理：在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，冗余鏈路是必要的，以提供備份路徑和增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。STP允許網(wǎng)絡(luò)在擁有冗余鏈路的同時，通過阻斷一些鏈路來防止環(huán)路的產(chǎn)生。

快速收斂：STP協(xié)議能夠快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，比如鏈路故障或新增鏈路。?dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，STP能夠迅速收斂，重新計(jì)算并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以確保網(wǎng)絡(luò)的連通性。

路徑優(yōu)化：STP協(xié)議通過計(jì)算并選擇成本最低的路徑，優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。?dāng)活動路徑出現(xiàn)問題時，STP可以快速切換到備用路徑，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：通過消除環(huán)路，STP減少了因環(huán)路引起的MAC地址表震蕩問題，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

支持高可用性：STP協(xié)議確保了在主用路徑發(fā)生故障時，可以迅速激活備用鏈路，從而恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性，支持網(wǎng)絡(luò)的高可用性。

負(fù)載均衡：在某些STP變種（如MSTP）中，可以為不同的VLAN配置不同的生成樹，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的使用。

網(wǎng)絡(luò)安全：STP協(xié)議通過控制端口狀態(tài)，可以防止一些網(wǎng)絡(luò)攻擊，如通過環(huán)路進(jìn)行的DOS攻擊。

?1.2 STP協(xié)議的分類

? ? ? ? 前面在分析STP協(xié)議使用的原因，或者也可稱為STP協(xié)議能解決的問題中，提到了運(yùn)用MSTP協(xié)議解決負(fù)載均衡這一問題，那么我們就簡單聊聊STP協(xié)議族中還存在那些變種，后續(xù)呢我會詳細(xì)講解一下其他的幾種。

STP協(xié)議主要有以下幾種分類：

STP（Spanning Tree Protocol）：這是最初的生成樹協(xié)議，定義在IEEE 802.1D標(biāo)準(zhǔn)中。STP的主要作用是構(gòu)建無環(huán)的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，防止廣播風(fēng)暴，但它的收斂速度相對較慢。

RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）：快速生成樹協(xié)議，定義在IEEE 802.1W標(biāo)準(zhǔn)中。RSTP對STP進(jìn)行了改進(jìn)，提高了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r的收斂速度，同時引入了端口角色的概念，以完善收斂機(jī)制。

MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）：多生成樹協(xié)議，定義在IEEE 802.1S標(biāo)準(zhǔn)中。MSTP允許在交換網(wǎng)絡(luò)中形成多個生成樹實(shí)例，每個實(shí)例可以為一組VLAN服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和優(yōu)化流量路徑。

PVST（Per-VLAN Spanning Tree）：每個VLAN生成樹協(xié)議，是一種專有的STP變體，它為每個VLAN實(shí)例化一個生成樹，提供了類似于MSTP的功能，但是它是在特定廠商的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的。

PVST+（Per-VLAN Spanning Tree Plus）：PVST的增強(qiáng)版本，提供了更多的優(yōu)化特性，比如更好的端口優(yōu)化和更快的收斂時間。

這些STP協(xié)議的變體都是為了解決不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的環(huán)路問題，同時提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性和負(fù)載均衡能力。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新的STP協(xié)議變種可能會繼續(xù)出現(xiàn)以滿足更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)需求。

1.3 STP的工作原理

STP的工作原理可以概括為以下幾個關(guān)鍵步驟：

選舉根橋：在所有運(yùn)行STP的交換機(jī)中，通過比較橋ID（BID）來選舉出根橋。橋ID由16位優(yōu)先級（華為設(shè)備和cisco設(shè)備優(yōu)先級默認(rèn)為32768，范圍為0~65535，且必須是4096的倍數(shù)）和48位MAC地址組成，具有最小橋ID的交換機(jī)成為根橋。根橋的兩個端口為指定端口。

選舉根端口：在非根橋上，每個交換機(jī)選舉出一個根端口，這是到達(dá)根橋的最佳路徑上的端口。判定的條件順序：比較到達(dá)根橋的RPC（Root Path Cost）的大小，選取小的作為根端口；

當(dāng)RPC大小相同時，比較對端的BID，BID小的為根端口；

前兩個相同時，比較對端的PID，PID小的為根端口；

其他都相同時，比較本端的PID（由端口優(yōu)先級和端口編號組成的，端口優(yōu)先級是一個4位的字段，端口編號是一個12位的字段，端口優(yōu)先級的取值范圍是0到240，并且必須是16的整數(shù)倍，默認(rèn)情況下，端口優(yōu)先級通常是128，端口編號則是由系統(tǒng)分配的，通常不可以由用戶配置，它占據(jù)了PID的低12位），PID小的為根端口。

選舉指定端口：在每個網(wǎng)絡(luò)段上，選舉出一個指定端口來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。如果一個端口既是根端口又是指定端口，則該端口處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

選取條件的順序：比較到達(dá)根橋的RPC（Root Path Cost）的大小，選取小的作為根端口；比較本端BID，小的為指定端口；比較本端的PID，小的為指定端口。

阻塞其他端口：除了根端口和指定端口外，其他端口會被置于阻塞狀態(tài)，不參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以避免環(huán)路的產(chǎn)生。

1.4 交換機(jī)端口的角色和狀態(tài)

1.4.1 端口的角色

在STP（生成樹協(xié)議）中，交換機(jī)端口可以扮演以下幾種角色：

根端口（Root Port）：在非根橋上，根端口是到達(dá)根橋路徑成本最低的端口。每個非根橋只有一個根端口。

指定端口（Designated Port）：指定端口是每個網(wǎng)絡(luò)段上負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的端口。通常情況下，根橋的所有端口都是指定端口，除非根橋上存在物理環(huán)路。在其他網(wǎng)段上，只有一個端口會被選舉為指定端口。

阻塞端口（Blocking Port）：如果端口既不是根端口也不是指定端口，它將被置于阻塞狀態(tài)，不參與數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，但仍然會接收BPDU（Bridge Protocol Data Units）以監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

禁用端口（Disabled Port）：管理性關(guān)閉的端口，不參與STP計(jì)算，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，也不處理BPDU。

以下兩種端口為RSTP協(xié)議中引入的概念，我會在STP協(xié)議變種協(xié)議中進(jìn)行講解。

預(yù)備端口（Alternate Port）：在某些STP變體中，如RSTP（快速生成樹協(xié)議），預(yù)備端口是那些當(dāng)前沒有被使用，但已經(jīng)準(zhǔn)備好在必要時接替指定端口或根端口的端口。

備份端口（Backup Port）：同樣是在RSTP中，備份端口是那些當(dāng)前沒有被使用，但作為指定端口的備份，可以在指定端口失敗時接替其角色的端口。

1.4.2 端口狀態(tài)

STP（生成樹協(xié)議）中端口有五種狀態(tài)，每種狀態(tài)定義了端口在網(wǎng)絡(luò)中的角色和行為。以下是STP中端口狀態(tài)的描述：

Disabled（禁用）：端口狀態(tài)為Down，不處理BPDU（Bridge Protocol Data Units）報文，不學(xué)習(xí)MAC地址表，也不轉(zhuǎn)發(fā)用戶流量。這通常是因?yàn)槎丝诒还芾硇躁P(guān)閉或鏈路故障。

Blocking（阻塞）：端口處于阻塞狀態(tài)時，不轉(zhuǎn)發(fā)用戶流量，不學(xué)習(xí)MAC地址表，但可以接收BPDU并進(jìn)行處理。這種狀態(tài)下的端口主要用于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的其他BPDU，以確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

Listening（偵聽）：這是一個過渡狀態(tài)，端口開始參與生成樹計(jì)算，端口可以接收和發(fā)送BPDU，不學(xué)習(xí)MAC地址表，但不轉(zhuǎn)發(fā)用戶流量。此狀態(tài)通常持續(xù)一段時間（由Forward Delay定時器決定），之后端口會進(jìn)入Learning狀態(tài)。

Learning（學(xué)習(xí)）：在這個階段，端口不轉(zhuǎn)發(fā)用戶流量，但開始建立無環(huán)的MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表。端口繼續(xù)接收和發(fā)送BPDU。這個狀態(tài)也是過渡性的，持續(xù)一定時間后，端口將進(jìn)入Forwarding狀態(tài)。

Forwarding（轉(zhuǎn)發(fā)）：端口可以接收和發(fā)送BPDU，并開始轉(zhuǎn)發(fā)用戶流量，學(xué)習(xí)MAC地址表。只有被選舉為根端口或指定端口的端口才能進(jìn)入Forwarding狀態(tài)，這意味著端口是活動網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊徊糠帧?/p>

?五種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換圖，DP（根端口），RP（指定端口），AP（阻塞端口）

1.5 BPDU

在STP（生成樹協(xié)議）中，BPDU（Bridge Protocol Data Unit）是交換機(jī)用來通信和維護(hù)生成樹拓?fù)涞年P(guān)鍵信息的數(shù)據(jù)單元。以下是BPDU的相關(guān)信息：

BPDU的類型：BPDU主要分為兩種類型，配置BPDU（Configuration BPDU）和TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）。

配置BPDU：用于選舉根橋、確定端口角色以及維護(hù)生成樹的穩(wěn)定性。配置BPDU包含了STP所需的路徑和優(yōu)先級信息，如根橋ID、根路徑開銷、橋ID和端口ID。

TCN BPDU：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時發(fā)送，用于通知根橋和其他交換機(jī)拓?fù)渥兓?，以便及時更新MAC地址表項(xiàng)。

BPDU的發(fā)送：根橋周期性地發(fā)送配置BPDU，非根橋在收到根橋的BPDU后，會在指定端口上復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)這些BPDU。

BPDU的作用：BPDU使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠了解整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而避免環(huán)路的產(chǎn)生并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

BPDU的報文格式：BPDU包含多個字段，如BPDU類型、計(jì)時器、最大老化時間、Hello時間等。

BPDU保護(hù)：為了防止網(wǎng)絡(luò)中的惡意攻擊或配置錯誤，可以在交換機(jī)上配置BPDU保護(hù)，以忽略在不應(yīng)期望的接口上收到的BPDU。

BPDU的發(fā)送間隔：通常由Hello Timer決定，其默認(rèn)值是2秒。

BPDU的老化時間：BPDU報文在網(wǎng)絡(luò)中的最大老化時間，默認(rèn)為20秒，超過這個時間未更新的BPDU將被丟棄。

BPDU的訪問時間：根橋發(fā)送BPDU的頻率，通常每2秒一次。

BPDU是STP協(xié)議中的核心機(jī)制，通過BPDU的交換，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠協(xié)同工作，共同維護(hù)一個穩(wěn)定無環(huán)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.6 STP協(xié)議的缺點(diǎn)

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盡管STP協(xié)議在防止廣播風(fēng)暴和MAC地址表震蕩方面發(fā)揮了重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題和局限性：

拓?fù)涫諗克俣嚷寒?dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，STP需要較長時間（通常為50-52秒）來完成拓?fù)涫諗浚@會影響流量傳輸和用戶體驗(yàn)。

不能提供負(fù)載均衡：STP協(xié)議在處理環(huán)路時，通常將環(huán)路阻塞，導(dǎo)致該鏈路不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源。

生成樹算法復(fù)雜：STP算法包括選擇根網(wǎng)橋、根端口和指定端口等步驟，過程復(fù)雜，需要交換機(jī)之間傳遞BPDU來完成計(jì)算。

根橋故障恢復(fù)時間長：如果根橋發(fā)生故障，需要較長時間（約等于Max Age加上兩倍的Forward Delay時間，通常為50秒左右）來重新選舉根橋并恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。

直連鏈路故障恢復(fù)慢：在STP中，如果檢測到根端口的鏈路發(fā)生物理故障，其替代端口需要經(jīng)過兩倍的Forward Delay時間后才能恢復(fù)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

非直連鏈路故障處理：當(dāng)非直連鏈路發(fā)生故障時，交換機(jī)可能需要等待Max Age定時器超時后才能重新計(jì)算STP，這也需要較長時間。

配置BPDU和TCN BPDU的處理：STP依賴于配置BPDU來選舉根交換機(jī)和確定端口角色，以及TCN BPDU來縮短MAC表項(xiàng)的刷新時間，但這些機(jī)制可能導(dǎo)致處理延遲。

端口狀態(tài)轉(zhuǎn)換延時：STP中端口狀態(tài)的轉(zhuǎn)換（如從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)）需要等待一定的延時（Forward Delay），這可能影響網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和配置復(fù)雜性：為了確保STP正常工作，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和配置，包括選擇合適的根橋位置、調(diào)整路徑開銷等。

與其他廠商設(shè)備的兼容性問題：不同廠商的設(shè)備可能在STP實(shí)現(xiàn)上存在差異，導(dǎo)致在互聯(lián)時可能出現(xiàn)兼容性問題。

這些問題限制了STP協(xié)議在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中的性能和效率，因此，許多網(wǎng)絡(luò)采用了RSTP（快速生成樹協(xié)議）等改進(jìn)的STP版本來解決這些問題，提高網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和穩(wěn)定性。

2. H3C配置

新華三（H3C）交換機(jī)的STP（生成樹協(xié)議）配置涉及多個方面，包括但不限于以下幾個關(guān)鍵步驟：

開啟STP特性： 使用命令 stp global enable 來開啟STP特性，這是全局生效的設(shè)置。

配置STP工作模式： 可以通過命令 stp mode {stp|rstp|mstp|pvst} 來配置交換機(jī)的STP工作模式，其中stp代表經(jīng)典生成樹協(xié)議，rstp代表快速生成樹協(xié)議，mstp代表多生成樹協(xié)議，而pvst代表每VLAN生成樹協(xié)議。

配置設(shè)備的優(yōu)先級： 使用命令 stp [instance instance-id] priority priority 來配置設(shè)備的優(yōu)先級，其中instance-id是指定的實(shí)例ID，priority是優(yōu)先級值，可以影響根橋的選舉。

配置端口為邊緣端口： 邊緣端口通常連接到終端設(shè)備，不會形成環(huán)路。使用命令 stp edged-port 可以配置端口為邊緣端口，以實(shí)現(xiàn)快速遷移。

顯示STP信息： 使用命令 display stp brief 可以顯示STP的簡要信息，包括端口狀態(tài)、根橋信息等。

配置根橋保護(hù)： 為了防止新加入的設(shè)備影響根橋的地位，可以使用 stp root-protection 命令在指定端口上開啟根橋保護(hù)。

配置環(huán)路保護(hù)： 使用 stp loop-protection 命令可以在指定端口上開啟環(huán)路保護(hù)，防止由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或配置錯誤導(dǎo)致的環(huán)路問題。

配置TC保護(hù)： 為了防止偽造的TC-BPDU攻擊，可以使用 stp tc-protection 命令開啟TC保護(hù)。

配置MST域： 在MSTP模式下，需要配置MST域，包括設(shè)置域名、VLAN映射表和修訂級別。使用 stp region-configuration 命令進(jìn)入域配置模式，然后設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

配置端口路徑開銷： 使用命令 stp cost cost-value 可以配置端口的路徑開銷，影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇。

配置端口優(yōu)先級： 使用命令 stp port priority priority 可以配置端口的優(yōu)先級，影響端口在生成樹中的角色。

配置端口鏈路類型： 使用命令 stp point-to-point {auto|force-false|force-true} 可以配置端口的鏈路類型，影響快速遷移機(jī)制。

配置端口收發(fā)的MSTP報文格式： 使用命令 stp compliance {auto|dot1s|legacy} 可以配置端口發(fā)送的MSTP報文格式。

開啟端口狀態(tài)變化信息顯示： 使用命令 stp port-loginstance0 可以開啟端口狀態(tài)變化信息顯示，便于監(jiān)控。

開啟生成樹協(xié)議： 在端口上開啟STP協(xié)議，使用命令 stp enable。

配置No Agreement Check功能： 使用命令 stp no-agreement-check 可以在根端口上開啟No Agreement Check功能，避免與第三方廠商設(shè)備在快速遷移上的配合問題。

配置TC Snooping功能： 使用命令 stp tc-snooping 開啟TC Snooping功能，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

配置生成樹保護(hù)功能： 包括BPDU保護(hù)、根保護(hù)、環(huán)路保護(hù)等，使用相關(guān)命令如 stp loop-protection 開啟特定保護(hù)功能。

配置端口角色限制功能： 使用命令 stp role-restriction 開啟端口角色限制，防止端口被選為根端口。

配置端口透傳生成樹報文功能： 使用命令 stp transparent enable 開啟端口透傳生成樹報文功能。

配置生成樹的網(wǎng)管功能： 開啟告警功能，使用命令 stp port-log 等。

這些配置步驟可以幫助網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求和設(shè)備的能力來選擇合適的配置選項(xiàng)，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和效率。

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