智安网络丨一文说 STP ：你可能不用，但是不能不懂

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上帝视角
网络环路
现在我们的生活已经离不开网络，如果我家断网，我会抱怨这什么破网络，影响我刷抖音、打游戏；如果公司断网，那老板估计会骂娘，因为会影响到公司正常运转，直接造成经济损失。网络通信中，通常是以一条链路能够正常工作为前提，如果链路断开或节点故障，那么互联的设备就无法正常通信了，这类网络问题叫做单点故障。没有备份的链路或节点，出现故障会直接断网。

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单点故障
如果要提供 7×24 小时不间断的服务，那就需要在网络中提前部署冗余。避免出现单点故障，合理的做法是在网络中的关键设备和关键链路添加冗余。在冗余的网络环境中，任意一条链路发生故障断开，都不会影响网络，直接使用其它链路继续转发数据，解决单点故障的隐患。

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冗余链路
但同时也带来了另外的网络问题。这种组网会构成二层环路，会引发广播风暴、重复帧、MAC 地址漂移等问题，严重时会占满链路带宽，或打爆设备 CPU ，导致设备无法正常工作，最终造成网络瘫痪。当然，在实际的网络中，不少二层环路是由于人为的错误操作导致的，比如接错了网线。

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二层环路
举个栗子：

大刘的主机想要与小美的主机进行通信，现在只知道小美主机的 IP 地址，不知道 MAC 地址。有 IP 地址，就可以通过 ARP 协议来获取小美主机的 MAC 地址。我们来看看有冗余的网络中数据交换的过程：

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冗余网络
大刘主机向交换机 A 发送 ARP 广播帧，来解析小美主机的 MAC 地址；

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主机发送广播帧
交换机 A 收到广播帧后，查看自己的 MAC 地址表，没找到相应的表项，就向所有端口（除接收端口之外）泛洪这个广播帧。也就是向 G0/1 和 G0/2 两个端口泛洪广播帧；

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广播帧泛洪
交换机 B 和交换机 C 收到广播帧后，没有对应 MAC 地址表项，也将广播帧所有端口（除接收端口之外）泛洪出去；

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广播帧泛洪
小美主机终于收到了大刘发送的 ARP 广播帧，发现是查询自己的 MAC 地址后，小美主机将会通过单播帧返回自己的 MAC 地址；

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主机发送单播帧
这个过程看似正常，大刘主机发送的 ARP 广播帧顺利到达小美主机，小美主机也进行了响应，但是网络中广播帧的传输还没有结束。在第 3 步中，交换机 C 也把 ARP 广播帧泛洪到交换机 B 。这时交换机 B 就收到了两个相同的 ARP 广播帧，分别来自交换机 A 和交换机 C ，收到的广播帧都会泛洪出去。那么，小美主机也会收到两个相同的 ARP 广播帧，也就是重复帧。出现这种现象说明网络中存在不合理的冗余链路；

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重复帧
接下来我们看下交换机 C ，交换机 C 收到从交换机 A 发过来的广播帧，同时交换机 C 的 MAC 地址表添加一条表项，记录大刘主机 MAC 地址和端口 G0/0 的映射关系。交换机 C 又从交换机 B 收到相同的广播帧，大刘主机 MAC 地址的映射端口从 G0/0 变成 G0/1 。从不同的端口收到相同的数据帧，导致 MAC 地址表项发生变化的现象，就叫做 MAC 地址漂移，这种现象说明网络中可能存在环路。这样一来，交换机 C 就无法确定大刘主机到底位于自己的哪个端口；

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MAC地址漂移
主机收到广播帧，会进行解封装，查看上层的 IP 地址是否是发送给自己的，再进行下一步处理。交换机（只指二层交换机）收到广播帧，会直接进行泛洪。大刘主机发出的广播帧，经过交换机 A 后，从交换机 A 的 G0/1 口泛洪的广播帧，交换机 B 收到后再从 G0/2 口进行泛洪，交换机 C 收到广播帧后，又从 G0/0 口泛洪出去，结果广播帧回到了交换机 A ，交换机 A 再从 G0/1 进行泛洪，最终这个广播帧会一直逆时针、永无止境的进行泛洪；同理，交换机 A 从 G0/2 口进行泛洪的广播帧，也会按顺时针、无休止的在三台交换机上进行泛洪。这种广播帧不停泛洪的现象，叫做广播风暴。广播风暴不仅会大量消耗网络设备的带宽和 CPU 使用率，也会影响到主机。主机收到一个广播帧后，会解封装上送网络层去处理，大量的广播帧泛洪，很可能导致主机瘫痪。

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广播风暴
通过这个简单的演示，我们看到了冗余链路带来的风险。重复帧、MAC 地址漂移和广播风暴，都是由一个广播帧引起的，可是网络中不可避免出现广播帧，也不能因为二层环路问题而忽略冗余链路增加网络可靠性的好处。

那么如何在保证网络冗余的情况下，消除二层环路呢？实际上交换机的二层环路是一个典型问题，解决方案也有不少。其中的一个解决方案就是 STP（生成树协议），能够阻断冗余链路来消除可能存在的环路，并且在网络故障时激活被阻断的冗余备份链路，恢复网络的连通性，保障业务的不间断服务。

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STP解决环路问题
当网络中部署了 STP 后，交换机之间会交互相关协议报文，并计算出一个无环路的网络拓扑。当网络存在环路时，STP 会将网络中的一个或多个接口进行阻塞，将环路网络结构修剪成无环路的树状网络结构。被阻塞的接口不再转发数据，这样二层环路问题便迎刃而解。STP 会持续监控网络拓扑状况，当网络拓扑发生变化时，STP 能够及时感知，并动态调整被阻塞接口，而无需人工干预。

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STP修复网络故障
STP 基本概念
STP 是用在局域网中消除数据链路层物理环路的协议，标准名称是 802.1D 。STP 带来的好处有：

消除环路：STP 可以通过阻塞冗余端口，确保网络无环且连通；

链路备份：当使用的链路因故障断开时，可以检测到这种情况，并自动开启阻塞状态的冗余端口，网络迅速恢复正常。

在了解 STP 的原理之前，我们先来看看几个专业术语：

1、桥 ID（ Bridge ID ，BID ）
在公司内我们使用资产编号标记不同的设备，在 STP 里我们使用不同的桥 ID 标识不同的交换机。每一台运行 STP 的交换机都有一个唯一的桥 ID 。桥 ID 一共 8 字节，包含 2 字节的桥优先级和 6 字节的桥 MAC 地址。桥优先级的值可以人为设定，默认值是 32768 。桥 MAC 地址通常是交换机默认 VLAN1 的 MAC 地址。

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桥ID
2、根桥（ Root Bridge ，RB ）
STP 要在整个二层网络中计算出一棵无环的 “ 树 ” ，树形成了，网络中的无环拓扑也就形成了。其中最重要的就是树根，树根明确了，“ 树枝 ” 才能沿着网络拓扑进行延伸。STP 的根桥就是这棵树的树根。当 STP 启动后，第一件事就是在网络中选举出根桥。在一个二层网络中，根桥只有一个，其余设备都是非根桥。当网络的拓扑发生变化时，根桥也可能会发生变化。

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根桥ID
网络中桥 ID 最小的交换机将成为根桥。在比较桥 ID 大小时，首先比较的是桥优先级，桥优先级的值最小的交换机选为根桥；如果桥优先级相同，那么会比较 MAC 地址，MAC 地址最小的交换机选为根桥。

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根桥交换机
3、根路径开销（ Root Path Cost ，RPC ）
STP 交换机每一个端口都对应一个开销值，这个值表示数据通过端口发送时的开销，这个值与端口带宽有关，带宽越高，开销值越小。对于端口开销值的定义有不同的标准，通常设备默认使用 IEEE 802.1t 中定义的开销值，同时还支持其它标准，以便兼容不同厂家的设备。

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Cost值标准对比表
非根桥到达根桥可能有多条路径，每条路径都有一个总开销值，也就是根路径开销（ RPC ），这个值是通过这条路径所有出端口的开销值累加而来的。STP 不会计算入端口的开销，只在数据通过端口发出时，才计算这个端口的开销。对于根桥来说，根路径开销是 0 。

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计算根路径开销
4、端口 ID（ Port ID ，PID ）
运行 STP 的交换机使用端口 ID 标识每个端口，端口 ID 主要用于选举指定端口。端口 ID 长度为 16 比特，其中前 4 比特是端口优先级，后 12 比特是端口编号。在进行比较时，先比较端口优先级，优先级小的端口优先；在优先级相同时，再比较端口编号，编号小的端口优先。通常情况下，端口编号无法改变，可通过设置端口优先级来影响生成树的选路。

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端口ID
5、BPDU
STP 协议使用 BPDU 报文进行交互，BPDU 包含与 STP 协议相关的所有信息，并且使用这些信息来完成生成树的计算。BPDU 是组播帧，地址为 0180-c200-0000 ，并由 STP 交换机产生、发送、接收、处理，终端主机不参与。BPDU 分为两种类型：

配置 BPDU（ Configuration BPDU ）：在 STP 的初始化过程中，每台交换机都会产生并发送配置 BPDU 。在 STP 树形成后的稳定期，只有根桥才会周期性地发送配置 BPDU ；相应的，非根桥会从自己的根端口收到配置 BPDU ，并更新自己的配置 BPDU ，再从指定端口发送出去。这个过程看起来像根桥发出的配置 BPDU 逐跳的经过了其它交换机。

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Configuration BPDU 格式
配置 BPDU 的参数详情如下：

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Configuration BPDU 字段表
拓扑变化通知 BPDU（ Topology Change Notification BPDU ）：简称 TCN BPDU ，是非根桥通过根端口向根桥发送的。当非根桥检测到拓扑变化后，就会生成一个描述拓扑变化的 TCN BPDU ，并从自己的根端口发送出去。

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TCN BPDU 格式
STP 树的生成
STP 的基本原理是在一个有二层环路的网络中，交换机通过运行 STP ，自动生成一个没有环路的网络拓扑。这个无环网络拓扑也叫做 STP 树（ STP Tree ），树节点为某些交换机，树枝为某些链路。当网络拓扑发生变化时，STP 树也会自动地发生相应的改变。

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选举范围示意图
STP 树的生成过程是：首先选举根桥，然后确定根端口和指定端口，最后阻塞备用端口。既然是选举，我们就看下参选者和选举范围。

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选举角色和选举范围
STP 是通过比较 BPDU 中的信息进行选举的，最终的结果是：

在整个 STP 网络中，唯一的一个根桥被选举出来；

对于所有的非根桥，选举出根端口和指定端口，负责转发数据；落选的端口就是备用端口，处于阻塞状态，不能转发数据。

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交互BPDU
1、选举根桥
根桥是 STP 树的根节点。要生成一棵 STP 树，首先要确定一个根桥。根桥是整个二层网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。

在 STP 交换机刚连接到网络时，每台交换机都以自己为根桥，从所有启动的端口发送 BPDU ，宣告自己是根桥。收到 BPDU 的交换机会比较 BPDU 中的根桥 ID 与自己的根桥 ID ，选择根桥 ID 值小的配置成自己 BPDU 中的根桥 ID 。交换机不停地交互 BPDU ，同时对根桥 ID 进行比较，直至选出一台根桥 ID 最小的交换机作为根桥。根桥会在固定的时间间隔发送 BPDU ，其它设备对 BPDU 进行转发，从而保证网络拓扑的稳定。

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选举根桥
根桥交换机往往会承担这个网络中最大流量的转发工作，我们希望性能最高的交换机当选根桥交换机。但是 STP 在选举时，并不会把交换机的性能列入考量。为了让网络流量更合理的转发，可以通过配置桥优先级的值来影响根桥的选举。

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根桥的选举结果
同时，根桥是可以抢占的，在 STP 完成网络收敛后，如果网络中接入一台新的交换机，且新增交换机的优先级比根桥交换机更优，那么新增交换机会成为网络中新的根桥。同时，STP 将会重新收敛、重新计算网络拓扑，这个过程会引发网络震荡，对流量的正常转发造成影响。

2、选举根端口（ Root Port ，RP ）
根桥选举出来后，其它没有成为根桥的交换机称为非根桥。STP 会为每个非根桥选举一个根接口，也就是在交换机的所有端口中，选择距离根桥最近的一个端口，这就是根端口。

在 STP 树形成后的稳定期，根桥依然会周期性的向网络中发送 BPDU ，而非根桥的根端口会收到 BPDU ，并向指定端口发送出去。

那是如何选择根端口的呢？根桥周期性的发送 BPDU ，非根桥的所有端口都能收到 BPDU ，对比端口收到的 BPDU 中的参数值。

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选举根端口的流程
选择根路径开销（ RPC ）最小的端口；

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选举根端口第一步
如果 RPC 相同，那就选对端桥 ID（ BID ）最小的端口；

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选举根端口第二步
如果对端桥 ID 相同，那就选对端端口 ID（ PID ）最小的端口。

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选举根端口第三步
准确的说，选举根端口的目的是选举出 STP 网络中每台交换机上与根交换机通信效率最高的端口。

3、选举指定端口（ Designated Port ，DP ）
根端口确保了交换机到根桥的路径是唯一的，也是最优的。网络中的每条链路与根桥之间的路径也要是唯一且最优的。当一条链路中有两条或两条以上的路径到达根桥，就必须确定出一个唯一的指定端口，防止出现二层环路。指定端口不但是这条链路内所有端口中到达根桥的最优接口，还会向链路内发送 BPDU 。

虽然选举指定端口的范围和根端口不同，但是选举的原则是一致的。指定端口的选举同样会按照以下过程进行：

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选举指定端口的流程
选择根路径开销（ RPC ）最小的端口；

如果 RPC 相同，那就选对端桥 ID 最小的端口；

如果对端桥 ID 相同，那就选对端端口 ID 最小的端口。

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选举指定端口
如果有人不小心将同一台交换机上的两个端口用网线连接起来，网络中就会产生环路。选举指定端口就是为了预防这种错误连接导致环路的情况。当出现这种连接时，STP 会以端口 ID 较小的端口作为指定端口，从而打破环路。

为什么根桥交换机的所有端口都是指定端口呢？

因为根桥交换机端口的根路径开销都是 0 ，根据选择选举原则，成为这条链路的指定端口。

4、阻塞备用端口（ Alternate Port ，AP ）
在确定了根端口和指定端口后，交换机上剩下的非根端口和非指定端口都叫做备用端口。备用端口是打破环路的关键，STP 会对这些备用端口进行逻辑阻塞。逻辑阻塞，是指端口不会接收或发送任何数据，但是会监听 BPDU 。当网络的一些端口出现故障时，STP 会让备用端口开始转发数据，用来恢复网络的正常通信。

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三种端口的异同如下：

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三种端口对比表
一旦备用端口被逻辑阻塞后，STP 树的生成过程就完成了。

STP 端口状态机
STP 不但定义了 3 种端口角色：根端口、指定端口、备用端口，还讲定义了 5 种端口状态：禁用状态、阻塞状态、侦听状态、学习状态、转发状态。

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STP接口状态表
STP 交换机的端口启动时，首先会从禁用状态自动进入到阻塞状态。在阻塞状态，端口只能接收和分析 BPDU ，不能发送 BPDU 。如果端口选为根端口或指定端口，则会进入侦听状态，这时端口可以接收并发送 BPDU ，这种状态会持续一个 Forward Delay 的时间，默认是 15 秒。15 秒后端口会进入到学习状态，并持续一个 Forward Delay 的时间。学习状态的端口可以接收和发送 BPDU ，同时开始进行 MAC 地址学习，为数据转发做好准备。最后，端口由学习状态进入到转发状态，就开始进行数据转发。在整个状态的迁移过程中，端口一旦关闭或发生链路故障，就会进入到禁用状态；如果端口不再是根端口或指定端口，那么端口状态会立刻退回到阻塞状态。

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STP端口状态机
在 STP 的生成过程中，为什么要有两个 Forward Delay 时间？

在侦听状态有一个 Forward Delay 的时间，是因为 BPDU 泛洪到全网需要一定的时间，STP 完成全网拓扑的计算同样需要时间，所以停留 15 秒让 STP 有充分的时间计算全网拓扑，避免网络中出现临时的环路。在学习状态又有一个 Forward Delay 的时间，是由于交换机的接口上未学习到任何 MAC 地址，需要时间学习 MAC 地址，避免网络中出现不必要的数据帧泛洪现象。停留 15 秒，为进入转发状态做好准备。

STP 时间参数
STP 定义了 3 个重要的时间参数。

Hello Time（ Hello 时间 ）：STP 交换机发送配置 BPDU 的时间间隔，默认是 2 秒。如果要修改时间参数，那么必须在根桥上修改才有效。

Forward Delay（转发延迟）：接口从侦听状态进入学习状态，或从学习状态进入转发状态的延迟时间，默认值是 15 秒。避免在 STP 树的生成过程中可能出现的临时环路，或短暂的数据帧泛洪现象，分别在侦听和学习的端口状态各停留一个转发延迟时间。对于 STP 而言，一个阻塞端口选举为根接口或指定接口后，进入转发状态至少需要经历 30 秒的时间。

Max Age（最大生存时间）：BPDU 的最大生存时间，也称为 BPDU 的老化时间，Max Age 的值由根桥指定，默认值是 20 秒。如果端口在 20 秒内收到 BPDU ，最大生存时间会重新计时；如果端口一直没收到 BPDU ，那么 BPDU 将会老化，设备会重新在端口上选择最优 BPDU ，也就是重新进行根接口的选举。

由于时间参数的设计，一个 STP 接口从阻塞状态进入到转发状态，可能需要 30 ~ 50 秒的时间，这段时间内，网络无法正常使用。

举例说明
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端口状态迁移示意图
交换机 A 、B 、C 一起启动，各交换机的每个互联端口立即从禁用状态进入到阻塞状态。在阻塞状态的端口只能接收而不能发送 BPDU ，所以任何端口都收不到 BPDU 。在等待 Max Age 后，每台交换机都会认为自己是根桥，所有端口的角色都成为指定端口，并且端口的状态迁移为侦听状态。

交换机的端口进入到侦听状态后，开始发送自己产生的配置 BPDU ，同时也收到其它交换机发送的配置 BPDU 。

因为各个交换机发送 BPDU 的时间有一定的随机性，所以有可能交换机 B 和交换机 C 先选举根桥为交换机 B ，再收到交换机 A 的配置 BPDU ，最后选举出根桥为交换机 A 。因此，无论交换机开始的状态如何，也不管中间过程有多大差异，最终的结果总是确定且唯一的：桥 ID 最小的交换机会成为根桥。

端口在侦听状态持续 Forward Delay 的时间后，开始进入学习状态。由于交换机 C 的 G0/2 端口已经成为备用端口，所以状态也会变成阻塞状态。

各个端口（交换机 C 的 G0/2 端口除外）陆续进入学习状态后，会持续 Forward Delay 的时间。在这段时间里，交换机开始学习 MAC 地址和端口的映射关系，同时希望 STP 树在这个时间内能够完全收敛。

之后各个端口（交换机 C 的 G0/2 端口除外）相继进入转发状态，开始进行数据帧的转发。

STP 的改进和代替技术
在实际应用中，STP 有很多不足之处，RSTP/MSTP 对 STP 进行了哪些改良？有哪些其它技术用来代替生成树技术？欲知具体细节，且看下篇文章。

实战演练
STP 基础配置
我们用 3 台交换机搭建一个网络环境，而且网络中存在二层环路。为了对网络进行破环，将在交换机上部署 STP 。

网络拓扑
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实验拓扑图
实验要求
三台交换机（ SW ）配置 STP 功能，使用命令指定根桥交换机，使用命令改变端口状态。

操作步骤
三台 SW 按照网络拓扑图，对相应的端口进行连接。SW 默认的生成树工作模式是 MSTP ，并且自动协商出了根桥、根端口和指定端口。交换机的桥优先级默认是 32768 ，MAC 地址最小的交换机成为网络中的根桥。通过命令查看，发现 SWB 选举为根桥。

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SW默认状态
在三台交换机上分别配置工作模式从默认的 MSTP 改成 STP ，并且启动 STP 功能。stp mode 命令用来修改交换机的工作模式。stp enable 命令用在设备上激活生成树功能，默认处于激活状态，所以这条命令为可选。

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在实际的网络部署中，我们通常会修改某台设备的优先级，确保它成为这个网络的根桥，从而保证 STP 的稳定性。假设 SW1 是高性能的核心交换机，SW2 和 SW3 是普通性能的接入交换机。可以将 SW1 设置成根桥。在 SW1 配置的 stp root primary 命令让它成为网络中的根桥，实际上这条命令是把交换机的优先级设置成最小值 0 ，而且这个优先级不能修改。因此在 SW1 使用替代命令 stp priority 0 也能实现相同效果。stp priority 命令可以修改设备的 STP 优先级，取值范围是 0 ~ 61440 ，而且要是 4096 的倍数，例如 0 、4096 、8192 等。

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根桥配置
在设备上使用 display stp 命令查看 STP 状态，SW1 上的输出如下。交换机的桥 ID 是 0.4c1f-ccff-4a7d ，其中 0 为交换机的优先级值，这就是命令 stp root primary 的作用。4c1f-ccff-4a7d 是交换机的 MAC 地址，且根桥的 MAC 地址也是 4c1f-ccff-4a7d ，说明这台交换机就是根桥。

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查看STP状态
还可以使用 display stp brief 命令查看接口的 STP 状态，在 SW1 上输出如下。由于 SW1 是根桥，所有端口都是指定状态，都处于转发状态。

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查看STP接口状态
SWC 的 G0/0/2 端口将会被阻塞，命令输出如下。为什么 G0/0/2 的端口状态是禁用，而不是阻塞。因为 STP 已经不再使用，交换机默认使用 MSTP ，即使将生成树的模式修改为 STP ，交换机的端口状态依然和 MSTP 保持一致。端口角色（ Role ）也是 MSTP 中的概念。

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查看SWC的STP接口状态
因为 SWC 的 G0/0/1 端口是根端口，收到的 BPDU 比 G0/0/2 收到的更优，所以端口被阻塞。如果我们希望阻塞的不是 G0/0/2 ，而是 G0/0/1 端口，那就要让 G0/0/2 成为根端口，比如将 G0/0/1 端口的 Cost 值调大，让 SWC 的 G0/0/1 到达根桥的 RPC 比 G0/0/2的更大。SWC 增加配置如下：

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修改STP端口Cost值
我们再观察下 SWC 的端口状态，G0/0/2 端口成为根端口，G0/0/1 端口被阻塞。

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查看SWC的端口状态
功能验证
查看三台 STP 交换机的端口状态，是否符合预期结果。

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查看三台交换机的端口状态
还可以抓包验证 STP 交互的 BPDU 报文内容是否正常。

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BPDU报文

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来源： https://blog.csdn.net/zhianwangluo/article/details/119244649