STP 生成树
技术背景：
环路带来的问题：
生成树协议是在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个接口进行堵塞（block）从而打破环路。
交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树可以感知这些变化，并自动做出调整。因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。
二层环路以及三层环路
相对于二层环路来说三层环路危害更小，IP报文在经过一定次数的转发TTL值会变为0，该报文就会被丢弃。而二层环路会无休止的复制转发报文，不会丢弃报文。生成树协议在园区网络中的应用
stp基本概念：
1.桥id
每一台运行stp的交换机都拥有一个唯一的桥id，桥id一共8byte，包含16bit的桥优先级和48bit的桥MAC地址，其中桥优先级占据桥id的高16bit，而mac地址占据其余的48bit。
2.根桥
STP的主要作用之一是在整个交换网路中计算出一颗无环的“树”，这棵树一旦生成，网络中的无环拓扑也就形成了。对于这棵树而言，树根是非常重要的，树根一旦明确了，“树枝”才能沿着网络拓扑进行延展，STP的根桥就是这棵树的树根，树根的角色至关重要，STP的一系列计算均以树根为参考点。当STP开始工作后，第一件事就是在网络中选举出根桥。在一个交换网络中，根桥只会有一个。
网络中拥有最小桥ID的交换机将成为根桥。在比较桥id时，首先比的时桥优先级，桥优先级的值最小的交换机将胜出成为根桥，如果桥优先级相等，那摩MAC地址最 小的交换机将成为根桥。
华为交换机缺省的桥优先级为32768.可在系统视图下使用stp priority命令修改，桥优先级的取值范围是0~61440，并且必须为4096的倍数，例如0、4096、8192等。
可以使用display stp查看哪台交换机是根桥
[Huawei]dis stp
-------[CIST Global Info][Mode MSTP]-------
CIST Bridge :32768.4c1f-cc8e-09b5
Config Times :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
Active Times :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC :32768.4c1f-cc8e-09b5 / 0 //这里显示的就是根桥的桥ip
CIST RegRoot/IRPC :32768.4c1f-cc8e-09b5 / 0 //可以看出本交换机的桥ip和根桥的桥ip一致，说明这台交换机就是根桥
CIST RootPortId :0.0
BPDU-Protection :Disabled
TC or TCN received :2
TC count per hello :0
STP Converge Mode :Normal
Time since last TC :0 days 0h:1m:17s
Number of TC :2
Last TC occurred :Ethernet0/0/2可以使用display int vlan 1查看本交换机的MAC地址
[Huawei]dis int vlan 1
Vlanif1 current state : UP
Line protocol current state : DOWN
Description:
Route Port,The Maximum Transmit Unit is 1500
Internet protocol processing : disabled
IP Sending Frames' Format is PKTFMT_ETHNT_2, Hardware address is 4c1f-cc8e-09b5 //这里显示的就是桥ip
Current system time: 2022-10-02 19:44:44-08:00
Input bandwidth utilization : --
Output bandwidth utilization : --3.开销（Cost）与根路径开销（Root Path Cost，RPC）
每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算RPC，也就是计算到达根的开销。接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的Stp Cost计算方法有关。华为的交换产品支持3种计算方法，它们分别是IEEE802.1D-1998标准方法、IEEE802.1t标准方法以及华为私有的计算方法。
在交换机的系统视图下使用stp pathcost-standard命令，可修改Cost计算方法，该命令有3个可选关键字。
dot1d-1998：IEEE 802.1D-1998标准方法。
dot1t：IEEE802.1t标准方法。
legacy：华为计算方法。
注：当然修改交换机Cost计算方法需要非常谨慎，如果确实需要修改，那么需保证交换网络中所有STP设备使用一致的计算方法。
接口Cost是一个非常重要的变量，它将影响STP对于链路的优选。在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”，我们将这个“成本”称为RPC(Root Path Cost，根路径开销)。
4.接口id（Port Identification）
运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口id主要用于在特定场景下选举指定接口。接口ID长度为16bit，由两部分组成，其中高4bit是接口优先级，低12bit是接口编号。以华为S5700交换机为例，缺省时接口优先级为128，可在接口视图下使用stp port priority命令修改，端口优先级的取值范围是0~240，并且必须是16的倍数，例如0、16、32等。
STP的基本操作过程
STP通过4个步骤来保证网络中不存在二层环路(STP计算过程)：
1、选出根桥：每个交换机运行了stp，有一个桥id，桥id最小的交换机为根桥
2、选出根端口：每个非根桥上，选出1个根端口，收到bpdu最优的端口
3、选出指定端口：一个接口，发的bpdu，比收到的bpdu，更优，是指定端口
4、阻塞其他端口1.在交换机网络中选举一个根桥（Root Bridge，RB）
网络中拥有最小桥ID的交换机将成为根桥。在比较桥id时，首先比的时桥优先级，桥优先级的值最小的交换机将胜出成为根桥，如果桥优先级相等，那摩MAC地址最小的交换机将成为根桥。STP的正常工作依赖于该协议所使用的报文的正常交互，这种报文就是BPDU(Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元)。
2.在每个非根桥上选举一个根接口（Root Port，RP）
在一个交换网络中，除了根桥之外的其他交换机都是非根桥，STP将为每个非根桥选举一个根接口，所谓根接口，实际上是非根桥上所有接口中收到最优BPDU的接口，可以简单地将其理解为交换机在STP树上“朝向”根桥的接口。非根桥可能会有一个或多个接口接入同一个交换网络，STP将会在这些接口中选举并且只会选出一个根接口。在STP收敛完成后，根桥依然会周期性的向网络中发送BPDU，而非根桥则会周期性的在自己的根接口上收到BPDU,并沿着STP树向下游转发。
使用display stp brief命令可以确定交换机的根接口
[Huawei]dis stp brief
MSTID Port Role STP State Protection
0 Ethernet0/0/1 ROOT FORWARDING NONE //root 就是RP
0 Ethernet0/0/2 ALTE DISCARDING NONE3.选举指定接口（Designated Port，DP）
STP将在每个网段中选举一个指定接口，这个接口是该网段内所有接口到达根桥的最优接口。此外，指定接口还负责向该网段发送BPDU。
对于非根桥而言，其所有接口中收到最优BPDU的接口将成为该设备的根接口，随后该非根桥使用自己接受的最优BPDU，为本设备上的其他接口各计算一个BPDU，然后使用计算出的BPDU与接口上所维护的BPDU（接口自身也会从网络中收到BPDU，并将该BPDU保存起来）进行比较，如果前者更优，那么该接口将成为指定接口，并且其所保存的BPDU也被前者替代，交换机将替代后的BPDU从该指定接口转发给下游交换机；如果后者更优，那么该接口将成为非指定接口（非指定接口指的是既不是根接口，也不是指定接口的接口）。
综上所述，对于非根桥而言，根接口的选举过程是非根桥将自己所收到的所有BPDU进行比较，而制定接口的选举过程则是非根桥用自己计算出的BPDU与别的设备发过来的BPDU进行比较。
一般而言，根桥的所有接口都是指定接口。
[Huawei]dis stp brief
MSTID Port Role STP State Protection
0 Ethernet0/0/1 DESI FORWARDING NONE //DESI就是DP
0 Ethernet0/0/2 DESI FORWARDING NONE4.阻塞非指定接口，打破二层环路
经STP计算后，如果交换机的某个（或某些）接口既不是根接口又不是指定接口（我们将这种接口称为非指定接口），那么该接口将会被STP阻塞，如此一来网络中的二层环路也就被打破了。
STP报文
在一个交换网络中，STP能够正常工作的基本前提是BPDU的正常交互。STP的BPDU有两种类型：配置BPDU(Configuration BPDU)及TCN BPDU(Topology Change Notification BPDU)。两种BPDU各有各的用途。BPDU载荷被直接封装在以太网数据帧中，数据帧的目的MAC地址是组播MAC地址：0180-C200-0000。
1.配置BPDU
配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键。在交换网络的初始化过程中，每台交换机都从自己激活了STP的接口向外发送配置BPDU。当STP收敛完成后，只有根桥才会周期性的发送配置BPDU（缺省时，以2s为周期发送配置BPDU，可以在设备的系统视图下使用stp timer hello命令修改发送周期），而非根桥则会在自己的根接口上收到上游发送过来的配置BPDU，并立即被触发而产生自己的配置BPDU，然后从自己的指定接口发送出去。这一过程看起来就像是根桥发出的配置BPDU逐跳地“经过”了其他的交换机。
2.TCN BPDU
TCN BPDU的格式非常简单，只有“协议ID”、”协议版本ID”以及”BPDU类型”三个字段，并且“BPDU”字段的值为0x80。TCN BPDU用于在网络拓扑发成变化时向根桥通知变化的发生。
对于STP而言，当拓扑发生变更时，远离变更点的交换机无法直接感知到变化的发生，此时它们的MAC地址表项还是老旧的，如果依然通过这些MAC地址表项来指导数据转发，便有可能出现问题。因此STP需要一种机制，用于在网络中发生拓扑变更时促使全网的交换机尽快老化自己的MAC地址表项，以适应新的网络拓扑。当拓扑稳定时，网路中只会出现配置BPDU，而当拓扑发生变更时，STP会使用TCN BPDU，以及两种特殊的配置BPDU。
（1）TCN BPDU
TCN BPDU用于在网络拓扑发生变化时向根桥通知变化的发生。TCN BPDU需要从发现拓扑变更的交换机传递到根桥，而该交换机与根桥之间可能隔着多台交换机，感知到拓扑变化的交换机会从其根接口发送TCN BPDU，也就是朝着根桥的方向发送TCN BPDU，该报文会一跳一跳的向上游传递，直至抵达根桥。
（2）“标志”字段中TCA比特位被设置为1的配置BPDU
STP要求TCN BPDU从发现拓扑变更的交换机传递到根桥的过程时可靠的，因此当一台交换机收到下游发送上来的TCN BPDU后，需要使用“标志”字段中TCA比特位被设置为1的配置BPDU回应对方并向自己的上游发送TCN BPDU。这个过程将一直持续，直到根桥收到该TCN BPDU。
（3）“标志”字段中TC比特位被设置为1的配置BPDU
根桥收到TCN BPDU后，也就意识到了拓扑变化的发生，接下来它要将该变化通知到全网，它将向网络中泛洪“标志”字段中TC比特位被设置为1的配置BPDU，网络中的交换机收到该配置BPDU后，会立即将其MAC地址表的老化时间从原有的值调整为一个较小的值（该值等于转发延迟时间），使MAC地址表能够尽快刷新，以便适应新的网络拓扑。
配置BPDU的报文格式
配置BPDU的比较原则
注意：在选取RP和DP时也是采用这一原则
思考题：识别以下拓扑中的根桥以及各种接口角色
1.先判断根桥
SW1——网络中拥有最小桥ID的交换机将成为根桥
2.再判断根接口
SW2-GE0/0/1、SW3-GE0/0/2、SW4-GE0/0/1——每个非根桥选举一个根接口，所谓根接口，实际上是非根桥上所有接口中收到最优BPDU的接口（参照BPDU的比较原则）
3.再判断指定接口
SW2-GE0/0/2、SW3-GE0/0/1、SW1-GE0/0/1|GE0/0/2——这个接口是该网段内所有接口到达根桥的最优接口。（参照BPDU的比较原则）STP的接口状态
| 状态名称 | 状态描述 |
|---|---|
| 禁用（Disable） | 该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down |
| 阻塞（Blocking） | 该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 侦听（Listening） | 当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 学习（Learning） | 当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧（但是不能转发业务数据帧），并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习 |
| 转发（Forwarding） | 处于该状态的接口可以正常地收发业务数据帧，也会进行BPDU处理。接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态 |
STP的接口状态迁移
STP的时间参数
STP定义的三个重要的时间参数。
- Hello Time（Hello时间）：运行了STP的交换机发送配置BPDU的时间间隔，缺省为2s。如需修改STP发送配置BPDU的时间间隔，那么必须在根桥上修改，修改完成后，所有的非根桥都与根桥对其该时间值。
- Forward Delay（转发延时）：运行了STP的接口从侦听状态进入学习状态，或者从学习状态进入转发状态的延迟时间，缺省为15s。为了避免在生成树收敛过程中网络接口可能出现临时环路，或者短暂的数据帧泛洪现象，STP定义了侦听及学习这两种接口状态，并要求接口从阻塞状态进入转发状态前必须先经历这两个状态，而且分别在这两个状态各停留一个转发延时时间。这意味着对STP而言，一个被阻塞的接口被选举为根接口或指定接口后，进入转发状态之前至少需要经历30s的时间。
- MAX Age（最大生存时间）：BPDU的最大生存时间，也被称为BPDU的老化时间，缺省为20s。以非根桥的根接口为例，该设备将在这个接口上保存来自上游的最优BPDU，这个BPDU关联着一个最大生存时间，如果在该BPDU到达最大生存时间之间，接口再一次收到了BPDU，那么其最大生存时间将被重置，而如果接口一直没有收到BPDU从而导致该接口上保存的BPDU到达最大生存时间，那么该BPDU将被老化，此时设备将会重新在接口上选择最优BPDU，也就是重新进行根接口的选举。受限于几个时间参数的设计，一个STP接口要从阻塞状态进入转发状态可能需要花费约30~50s左右的时间，而这段时间内，网络中的业务可能就会受到影响。
STP的基础配置命令
1.配置生成树工作模式
[Huawei]stp mode {stp|rstp|mstp}2.（可选）配制根桥
[Huawei]stp root primary3.(可选)备份根桥
[Huawei]stp root secondary4.(可选)配置交换机的STP优先级
[Huawei]stp priority 优先级取值(32768为缺省情况)5.（可选）配置接口路径开销
设置接口开销计算方法
[Huawei]stp pathcost-standard{dot1d-1998|dot1t|legacy}设置当前路径开销
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost 开销值6.（可选）配置接口优先级
[Huawei-intf]stp priority 优先级数（128为缺省情况）7.启用STP/RSTP/MSTP
[Huawei]stp enable