什么是STP

STP（Spanning Tree Protocol）是一个用于局域网中消除环路的协议，它的标准是IEEE 802.1D。
STP通过将部分冗余链路强制为阻塞状态，其他链路处于转发状态，将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，可实现消除环路。
当处于转发状态的链路不可用时，STP重新配置网络，并激活合适的备用链路状态，恢复恢复网络连通性。

为什么需要STP

在一个复杂的网络环境中，由于冗余备份的需要，网络设计者都倾向于在设备之间部署多条物理链路，其中一条作主用链路，其他链路作备份，偶然或必然中都会导致环路产生。
环路会产生广播风暴，最终导致整个网络资源被耗尽，网络瘫痪不可用。
环路还会引起MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏。

STP技术可以有效的解决环路问题，将彼此交互信息发现网络中的环路，将部分冗余链路强制为阻塞状态，其他链路处于转发状态。
最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断增生和无限循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

STP vs RSTP vs MSTP

STP包含两种含义：

  • 狭义的STP是指IEEE 802.1D中定义的STP协议。
  • 广义的STP包括IEEE 802.1D中定义的STP、IEEE 802.1W中定义的快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）和IEEE 802.1S中定义的多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）。

目前，生成树协议支持如下：

  • STP是基础的数据链路层的管理协议，用于二层网络的环路检测和预防。但是，STP拓扑收敛速度慢。
  • RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。但RSTP和STP还存在同一个缺陷：局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，不能按VLAN阻塞冗余链路，所有VLAN的报文都沿着一棵生成树进行转发。
  • MSTP通过设置VLAN映射表（即VLAN和生成树实例的对应关系表），把VLAN和生成树实例联系起来。同时它把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树实例，生成树实例之间彼此独立。MSTP提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。MSTP相比于RSTP算法没有更新，收敛速度基本相同

生成树协议中，MSTP兼容RSTP、STP，RSTP兼容STP。三种生成树协议的比较如表所示。
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STP是如何工作的

STP基本概念

从环形网络拓扑结构到树形结构，总体来说有三个要素：根桥、根端口和指定端口。

  • 根桥：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。在进行根桥的选择时，一般会选择性能高、网络层次高的交换设备作为根桥。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。（一个网络一个根桥）
  • 根端口：去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据，这个端口的选择标准是依据路径开销判定。在一台设备上所有使能STP的端口中，根路径开销最小者，就是根端口。很显然，在一个运行STP协议的设备上根端口有且只有一个，根桥上没有根端口。（一台设备一个根端口）
  • 指定端口：指定桥与指定端口的描述见表。

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  • 示例：
  • 如图所示，AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2分别表示设备Device1、Device2、Device3的端口。

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  • Device1通过端口AP1向Device2转发配置消息，则Device2的指定桥就是Device1，指定端口就是Device1的端口AP1。

  • 与局域网LAN相连的有两台设备：Device2和Device3，如果Device2负责向LAN转发配置消息，则LAN的指定桥就是Device2，指定端口就是Device2的BP2。

  • 此外，设备和端口都有ID，分别是桥ID（BID）和端口ID（PID）。

  • 端口ID由端口优先级和端口号组成。

  • 桥ID由桥优先级和桥MAC两部分组成，在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。

    STP实现过程

    STP的基本实现过程如下：

  • 选择根网桥：网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”，根桥ID为自身的设备ID。通过交换BPDU消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID最小的设备被选为根桥。根桥上的所有端口都是转发状态。

  • 选择根端口：非根桥设备将接收最优配置消息的那个端口定为根端口，根端口也是处于转发状态。
  • 选择指定端口：设备根据根端口的配置消息和根端口的路径开销，为每个端口计算一个指定端口配置消息，然后将计算出的配置消息与角色待定端口自己的配置消息进行比较。
    • 如果计算出的配置消息更优，则该端口被确定为指定端口，其配置消息也被计算出的配置消息替换，并周期性地向外发送；
    • 如果该端口自己的配置消息更优，则不更新该端口的配置消息并将该端口阻塞。该端口将不再转发数据，且只接收不发送配置消息。

一旦根桥、根端口和指定端口选举成功，整个树形拓扑就建立完毕了。在拓扑稳定后，只有根端口和指定端口转发流量，其他的非根、非指定端口都处于阻塞（Blocking）状态，它们只接收STP协议报文而不转发用户流量。下面结合例子说明STP算法实现的具体过程。

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DeviceA、DeviceB和DeviceC的优先级分别为0、1和2，DeviceA与DeviceB之间、DeviceA与DeviceC之间以及DeviceB与DeviceC之间链路的路径开销分别为5、10和4。

  • 各设备的初始状态，配置消息中各项的具体含义为：{根桥ID，累计根路径开销，发送者BID，发送端口PID}。

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  • 各设备的比较过程及结果

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拓扑稳定后，根桥仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU报文
非根桥设备从根端口收到配置BPDU（Bridge Protocol Data Unit 桥协议数据单元）报文，通过指定端口转发
如果接收到的优先级比自己高的配置BPDU，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相应的端口存储的配置BPDU信息。

STP的典型应用

在一个复杂的网络中，网络规划者由于冗余备份的需要，一般都倾向于在设备之间部署多条物理链路，其中一条作主用链路，其他链路作备份。这样就难免会形成环形网络，若网络中存在环路，可能会引起广播风暴和MAC表项被破坏。

如图所示，在网络中部署STP协议，通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某个端口进行阻塞，最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断增生和无限循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

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STP实验

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  • Huawei设备出场默认运行 MSTP 技术
  • 设备的优先级均为32768，因此MAC地址决定设备ID
    1. dis stp //查看整个网络stp信息，例如根桥
    2. dis stp brief //显示stp协议下端口状态，可以查看被阻塞端口（DISCARDING）