STP

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

与众多协议的发展过程一样，生成树协议也是随着网络的发展而不断更新的，从最初的IEEE 802.1D中定义的STP到IEEE 802.1W中定义的快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol），再到最新的IEEE 802.1S中定义的多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）。

生成树协议中，MSTP兼容RSTP、STP，RSTP兼容STP。

产生背景

1.广播风暴

根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发（泛洪）。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。

SWB，SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SWB，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。

2.MAC地址表震荡

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。

（1）主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项：

​ 将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。

（2）SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。

（3）SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。

（4）SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项：

此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。

STP基本概念

根桥

树形的网络结构必须有树根，于是STP引入了根桥（Root Bridge）概念。

对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。

网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备收到该配置BPDU后，如果优先级比自己的配置BPDU高，则非根桥设备会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己STP端口存储的配置BPDU信息，否则会丢弃该配置BPDU。

• BID：桥ID

  IEEE 802.1D标准中规定BID是由16位的桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成。BID桥优先级占据高16位，其余的低48位是MAC地址。

  在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。

• PID：端口ID

  PID由两部分构成的，高4位是端口优先级，低12位是端口号。

  PID只在某些情况下对选择指定端口有作用。

桥优先级：0-65535，默认32768，必须是4095倍数

端口优先级：0-240，默认128，步长16，必须是16的倍数

选举过程

1.选举根桥（BID=优先级+MAC，优先级越小越优，如果优先级相等，MAC小的成为根桥）

在一个交换网络中选举一个根桥

2.选举根端口（RPC小的优+上行交换机的BID+上行交换机的PID+本地PID）

在每个非根交换机选举一个根端口

3.选举指定端口（RPC小的优+本端口的BID+本端口的PID）

每个网段选举一个指定端口

4.阻塞非指定端口

阻塞交换机上的所有非根，非指定端口

对于STP，影响端口状态和端口收敛有以下3个参数。

• Hello Time（2s）

  运行STP协议的设备发送配置消息BPDU的时间间隔，用于设备检测链路是否存在故障。设备每隔Hello Time时间会向周围的设备发送hello报文，以确认链路是否存在故障。

  当网络拓扑稳定之后，该计时器的修改只有在根桥修改后才有效。新的根桥会在发出的BPDU报文中填充适当的字段以向其他非根桥传递该计时器修改的信息。但当拓扑变化之后，TCN BPDU的发送不受这个计时器的管理。

• Forward Delay（15s）

  设备状态迁移的延迟时间。链路故障会引发网络重新进行生成树的计算，生成树的结构将发生相应的变化。不过重新计算得到的新配置消息无法立刻传遍整个网络，如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话，可能会造成临时环路。为此，STP采用了一种状态迁移机制，新选出的根端口和指定端口要经过2倍的Forward Delay延时后才能进入转发状态，这个延时保证了新的配置消息传遍整个网络，从而防止了临时环路的产生。30s

  Forward Delay Timer指一个端口处于Listening和Learning状态的各自持续时间，默认是15秒。即Listening状态持续15秒，随后Learning状态再持续15秒。这两个状态下的端口不转发用户流量，这正是STP用于避免临时环路的关键。

• Max Age（20s）

  端口的BPDU报文老化时间，可在根桥上通过命令人为改动老化时间。

  Max Age通过配置BPDU报文的传输，可保证Max Age在整网中一致。运行STP协议的网络中非根桥设备收到配置BPDU报文后，报文中的Message Age和Max Age会进行比较：

  • 如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备继续转发配置BPDU报文。
  • 如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化。该非根桥设备直接丢弃该配置BPDU，可认为网络直径过大，导致根桥连接失败。

  如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。否则，Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。实际实现中，配置BPDU报文经过一个桥，Message Age增加1。

STP报文格式

• 配置BPDU是一种心跳报文，只要端口使能STP，则配置BPDU就会按照Hello Time定时器规定的时间间隔从指定端口发出。
• TCN BPDU是在设备检测到网络拓扑发生变化时才发出。

通常所说的BPDU报文多数指配置BPDU。

在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，每台设备的指定端口都会周期性的发送配置BPDU。配置BPDU的长度至少要35个字节，包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。只有当发送者的BID或端口的PID两个字段中至少有一个和本桥接收端口不同，BPDU报文才会被处理，否则丢弃。这样避免了处理和本端口信息一致的BPDU报文。

配置BPDU在以下3种情况下会产生：

• 只要端口使能STP，则配置BPDU就会按照Hello Time定时器规定的时间间隔从指定端口发出。
• 当根端口收到配置BPDU时，如果优先级比自己的配置BPDU高，则会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己STP端口存储的配置BPDU信息并从指定接口向下游发送，否则会丢弃该配置BPDU。
• 当指定端口收到比自己差的配置BPDU时，会立刻向下游设备发送自己的BPDU。

STP拓扑变更

1. 在网络拓扑发生变化后，下游设备会不间断地向上游设备发送TCN BPDU报文。
2. 上游设备收到下游设备发来的TCN BPDU报文后，只有指定端口处理TCN BPDU报文。其它端口也有可能收到TCN BPDU报文，但不会处理。
3. 上游设备会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给下游设备，告知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
4. 上游设备复制一份TCN BPDU报文，向根桥方向发送。
5. 重复步骤1、2、3、4，直到根桥收到TCN BPDU报文。
6. 根桥把配置BPDU报文中的Flags的TC位置1后发送，通知下游设备直接删除桥MAC地址表项。

详情请看STP拓扑变更机制 | 沃德发 (yangzhiyu.top)

STP故障收敛时间

sw1的fa0/1的接口down了，但是它还是可以从block端口中接收到sw0的bpdu，那么它与root的联系就没有断开，它此时做的操作是根据根桥发送的bpdu重新计算根端口，然后经历30s的收敛，将fa0/2变为根端口。

sw2的fa0/2断开down了，我们知道block端口时不会对bpdu进行发送的，于是fa0/1就相当于与root断开了，一段时间后，他就会从fa0/1发送自己是根桥的bpdu，但是sw1是不会理睬的，因为它知道sw0的bpdu才是最好的，因为sw0的bpdu中的根桥ID的优先级是最高的， 经过20s后，sw1的fa0/2因为没有从swfa0/1上接收到bpdu，所以它会将端口转换为指定端口将bpdu信息进行转发，这个过程大概50s。

RSTP

IEEE于2001年发布的802.1w标准定义了快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol），该协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充。

STP协议虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断，这是用户无法忍受的。

STP的不足之处如下：

• STP没有细致区分端口状态和端口角色，不利于初学者学习及部署。

  网络协议的优劣往往取决于协议是否对各种情况加以细致区分。

  • 从用户角度来讲，Listening、Learning和Blocking状态并没有区别，都同样不转发用户流量。

  • 从使用和配置角度来讲，端口之间最本质的区别并不在于端口状态，而是在于端口扮演的角色。

    根端口和指定端口可以都处于Listening状态，也可能都处于Forwarding状态。

• STP算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢。

• STP算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其他设备进行处理，传遍整个STP网络。

  这也是导致拓扑收敛慢的主要原因之一。

端口改进

根据STP的不足，RSTP删除了3种端口状态，新增加了2种端口角色

RSTP的端口角色共有5种：根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口和Disable端口。

• 从配置BPDU报文发送角度来看：

  • Alternate端口就是由于学习到其它网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
  • Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

• 从用户流量角度来看：

  • Alternate端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口。
  • Backup端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路。

  给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。

RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为3种。根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:

• 如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么端口状态就是Discarding状态。
• 如果不转发用户流量但是学习MAC地址，那么端口状态就是Learning状态。
• 如果既转发用户流量又学习MAC地址，那么端口状态就是Forwarding状态。

配置BPDU的处理发生变化

• 拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式

  拓扑稳定后，根桥按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU。其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU后，才会触发发出配置BPDU，此方式使得STP协议计算复杂且缓慢。RSTP对此进行了改进，即在拓扑稳定后，无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文，非根桥设备仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU，该行为完全由每台设备自主进行。

• 更短的BPDU超时计时

  如果一个端口在超时时间（超时时间＝Hello Time × 3 × Timer Factor）内没有收到上游设备发送过来的配置BPDU，那么该设备认为与此邻居之间的协商失败。而不像STP那样需要先等待一个Max Age。（6s）

• 处理次等BPDU

  当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时，该端口会将自身存储的RST BPDU与收到的RST BPDU进行比较。

  如果该端口存储的RST BPDU的优先级高于收到的RST BPDU，那么该端口会直接丢弃收到的RST BPDU，立即回应自身存储的RST BPDU。当上游设备收到下游设备回应的RST BPDU后，上游设备会根据收到的RST BPDU报文中相应的字段立即更新自己存储的RST BPDU。

  由此，RSTP处理次等BPDU报文不再依赖于任何定时器通过超时解决拓扑收敛，从而加快了拓扑收敛。

快速收敛（P/A机制）

当一个端口被选举成为指定端口之后，在STP中，该端口至少要等待一个Forward Delay（Learning）时间才会迁移到Forwarding状态。而在RSTP中，此端口会先进入Discarding状态，再通过Proposal/Agreement机制快速进入Forward状态。这种机制必须在点到点全双工链路上使用。Proposal/Agreement机制简称P/A机制

Proposal/Agreement机制，其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。如图1所示，根桥S1和S2之间新添加了一条链路。在当前状态下，S2的另外几个端口p2是Alternate端口，p3是指定端口且处于Forwarding状态，p4是边缘端口。

新链路连接成功后，P/A机制协商过程如下：

1. p0和p1两个端口马上都先成为指定端口，发送RST BPDU。
2. S2的p1口收到更优的RST BPDU，马上意识到自己将成为根端口，而不是指定端口，停止发送RST BPDU。
3. S1的p0进入Discarding状态，于是发送的RST BPDU中把proposal置1。
4. S2收到根桥发送来的携带proposal的RST BPDU，开始将自己的所有端口进入sync变量置位。
5. p2已经阻塞，状态不变；p4是边缘端口，不参与运算；所以只需要阻塞非边缘指定端口p3。
6. 各端口的synced变量置位后，p2、p3进入Discarding状态，p1进入Forwarding状态并向S1返回Agreement位置位的回应RST BPDU。
7. 当S1判断出这是对刚刚发出的Proposal的回应，于是端口p0马上进入Forwarding状态。

下游设备继续执行P/A协商过程。

事实上对于STP，指定端口的选择可以很快完成，主要的速度瓶颈在于：为了避免环路，必须等待足够长的时间，使全网的端口状态全部确定，也就是说必须要等待至少一个Forward Delay所有端口才能进行转发。而RSTP的主要目的就是消除这个瓶颈，通过阻塞自己的非根端口来保证不会出现环路。而使用P/A机制加快了上游端口转到Forwarding状态的速度。

保护功能

RSTP拓扑变更

判断拓扑变化唯一标准：一个非边缘端口迁移到Forwarding状态
为本交换设备的所有非边缘指定端口启动一个TC While Timer，该计时器值是Hello Time的两倍。在这个时间内，清空状态发生变化的端口上学习到的MAC地址。同时，由这些端口向外发送RST BPDU，其中TC置位。一旦TC While Timer超时，则停止发送RST BPDU。
其他交换设备接收到RST BPDU后，清空所有端口学习到MAC地址，除了收到RST BPDU的端口。然后也为自己所有的非边缘指定端口和根端口启动TC While Timer，重复上述过程。 如此，网络中就会产生RST BPDU的泛洪。