STP解決什么問題

生成樹協議（Spanning-Tree Protocol，以下簡稱STP）是一個用于在局域網中消除環路的協議。運行該協議的交換機通過彼此交互信息而發現網絡中的環路，并適當對某些端口進行阻塞以消除環路。由于局域網規模的不斷增長，STP已經成為了當前最重要的局域網協議之一。

二層網絡環路會引發哪些問題

環路導致網絡報文風暴：
由于在二層網絡中，廣播，組播，未知單播都采用了泛洪的方式，如果網絡中存在環路，會導致報文無限復制，直到最終網絡崩潰。

由于泛洪導致網絡報文轉發環路

環路導致MAC表震蕩
如上圖，在報文復制的過程中，SwitchB會發現PC1的報文一會兒從上面接口收到，一會兒從下面接口收到，反復震蕩，導致MAC表不穩定。
即使是已知單播，也可能會導致問題，如下圖：

已知單播導致的MAC震蕩

1. PCB發送單播報文給PCA，該報文源Mac為MacB，目的Mac為MacA。
2. SW1從B接口收到該報文，所以SW1認為MacB對應的出接口為B
3. 該單播報文也會被SW2轉發，從A端口進入SW1，這樣SW1又認為MacB對應的出接口為A。
4. 改過程反復出現，導致SW1的MAC表不停震蕩。

STP如何解決問題

下圖是一個有環路的網絡演示例子，我們看看STP如何在這個網絡中計算出一個生成樹，并將會導致環路的鏈路阻塞。

一個有環路的網絡

• 1. 選根橋：首先各交換機根據優先級和MAC地址，選出一個BID最小的交換機，作為整個網絡的根。

相關術語：
網橋：比較早期的網絡中，稱交換機為網橋。在某些場景中網橋和交換機會交替使用。
網橋ID：BID—網橋的優先級+網橋MAC。
根橋:BID（網橋ID）最小的網橋定為根橋。在沒有配置優先級的網絡中，根橋將有MAC地址最小的網橋擔任。如果網絡中配置了各個交換機的優先級，則由優先級最小的交換機當人跟橋。

選出整個網絡的根節點

• 2. 確定根端口、指定端口、可選端口

根端口和指定端口和可選端口的內涵：
根端口（RP-RootPort），交換機上最優的端口。

• 根端口的概念是針對交換機的，是指（一個非根橋的STP）交換機上離根橋最近的端口。
• 一個STP交換機上有且僅有一個RP。
• 對于根橋發出的報文來看，流量從根端口進入交換機

指定端口（DP-DesignatedPort），鏈路上的最優端口。

• 指定端口的概念是針對于某鏈路的，指定端口是鏈路上離根橋最近的端口。
• 一個鏈路上有且僅有一個DP。
• 對于根橋發出的報文來看，流量從指定端口流出交換機。

可選端口（AP-AlternatedPort）：, 非最優端口

• 即非根端口，也非指定端口，說明該端口不在生成樹上，則該端口需要阻塞。所以可選端口也稱為阻塞端口。

我們看看根端口RP和指定端口DP的簡單示例，對RP和DP有一個直觀的認識。指定端口DP就是樹中父節點上的端口，根端口RP就是樹中子節點上的端口。

一顆生成樹中的根端口和指定端口

• 3. 關閉所有阻塞端口的流量轉發功能
  相當于把可能形成環路的端口流量轉發功能全部關閉（俗稱破環或剪枝），通過這樣的操作，將物理上的一個網狀拓撲改造為一個邏輯上的樹狀拓撲。從而消除網絡環路。

看看完整的示例，包括根端口RP，指定端口DP和可選端口AP。STP通過關閉AP端口的轉發功能，將物理上的網狀拓撲，轉變為邏輯上的樹狀拓撲。從而消除網絡環路。

網絡中的RP，DP和阻塞端口的完整示例

在整個網絡消除環路，穩定后，應該處于這樣一種狀態

1. 根橋在周期性的發送Hello BPDU
2. 這些BPDU報文從根往葉子周期性發送（基于根橋的保活周期）
   非根橋周期性的從RP端口收到這些BPDU（如果有必要，更新本地信息后），
   從DP端口將這些報文往樹的葉子方向
3. 對于阻塞接口，應該能周期性的收到DP發送過來的報文。

拓撲變化后的響應

1. 從上面過程可以看到，BPDU會周期性的從樹根往葉子發送。
2. 每一個端口的最優BPDU都有一個有效期，如果超過這個有效期有沒收到BPDU，則認為該BPDU已經無效。嘗試重新收斂。

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更多的細節

1. 協議基礎：報文格式

要實現STP功能，網橋之間必須要進行一些信息的交互，這些信息交互單元就稱為配置消息BPDU（BridgeProtocolDataUnit）。STPBPDU是一種二層報文，目的MAC是多播地址01-80-C2-00-00-00，所有支持STP協議的網橋都會接收并處理收到的BPDU報文。該報文的數據區里攜帶了用于生成樹計算的所有有用信息。具體如下：

BPDU報文格式

各字段的含義

在BPDU中，最核心的字段是根橋ID，跟路徑成本，發送網橋ID，端口ID四個字段。這四個字段組成四元組，用來比較兩個BPDU的“好壞”。四元組越小，說明越好。
注：發送網橋ID，端口ID僅僅在路徑成本相同時發揮作用

2. 協議運行過程

• 自認老大（根橋）:最初，每一臺交換機都認為自己是根橋，嘗試向外通告這一信息。
• 周期通告：STP交換機在每一個端口上定期（2s）發送BPDU報文
• 發現強者，歸順強者：每臺交換機除了發送BPDU外，也從所有端口上接收BPDU，一旦在某端口上收聽到比自己發的還要“好”的BPDU，那么這個端口就提取該BPDU中的某些信息，更新自己的信息。并停止在該鏈路上發送BPDU。
  收到更好的BPDU后需要更新的信息包括：
  • 自己認為的根橋BID（總體決策）：從所有端口中最好的BPDU中獲得。
  • 本路由器的根端口（RP，總體決策）：從所有端口中最好的BPDU中獲得。
  • 鏈路上的指定端口（DP，端口決策）：如果從該端口收到更好的BPDU，則說明別人李根橋更近，則自己端口不是DP，否則則認為自己是DP。

再次強調一下，比較BPDU的“好壞”的方式（自己的或其他交換機的），都是根據上面提到的四元組來完成的，即最低橋ID、最低根路徑成本，最低發送者BID，最低端口ID。該端口緩存他人BPDU后，自己則立即停止發送BPDU。
當發送BPDU的時候，交換機填充Sender BID字段的總是自己的BID，而填充Root BID字段的是“當前我所認為是根橋的”BID。

• 最終收斂：此過程一直持續，直到最終網絡收斂：最優的根橋最終被選舉出來，并且RP，DP端口也被確定下來。整個網絡歸順到一顆以最優BID為根的生長樹上來。

3. 具體過程分析：選舉根橋

1. 初始狀態，自立山頭：，雖然A的BID最小，但初始狀態還沒有互通信息，各自自立山頭，此時正確的樹上僅有孤零零的一個根節點。

初始狀態，自立山頭

2. 發現強者，歸順強者：通過BPDU的對外通告，樹逐漸向外生長，收復C和D兩個節點，但B節點還不再王化之內。

發現強者，歸屬強者

3. 通告全網，天下歸心：隨著根橋的勢力范圍擴大，已歸順節點（如圖中的C和D）也幫著A對外宣傳根橋是A，最終該信息傳遍全網，天下歸心，大家都臣服在A的STP樹下。至此，全網就有了一個統一的根，即BID最小的A。

歸順中央，統一全網

4. 具體過程分析：最佳樹的生成與RP和DP的確定

整個網絡的破環與剪枝過程與選舉根橋過程類似，都是從根橋出發，這棵樹逐步向外生長，直到最后長滿整個網絡。
1. 天地初開，一片混沌：此時正確的樹上僅一個跟節點，其他節點的信息都是錯誤或不可信的。

天地初開，一片混沌(左邊是物理視圖，右邊是樹的邏輯實體)

2. 樹開始向外“生長”：離根最近的交換機首先收到根節點的召喚（根節點會發送“最優”的BPDU），加入到樹上來。產生了正確的RP，DP信息。

樹開始向外生長(左邊是物理視圖，右邊是樹的邏輯實體)

3. 樹“生長”至整個網絡：隨著樹的進一步生長，節點一個接一個的加入到樹上來（通過向外發布“更好”的BPDU吸引其他節點加入）。最終遍布整個網絡，形成了一顆全網的STP樹。

樹長滿整個網絡(左邊是物理視圖，右邊是樹的邏輯實體)

注1：當然樹的生長并不是一帆風順的，有時候由于網絡時延或定時器的原因，
某些節點可能會加入錯誤的分枝，但最終這些誤入歧途的節點都能重新找到正確的分枝加入

注2：雖然我們上面為了說明簡單，將根節點的選舉和DP，RP的確定分兩個階段來說明，
實際協議運行過程中，并沒有明確的區分這兩個階段。他們是統一在“最佳BPDU傳遞”這
個統一的協議處理流程中的。

5. 拓撲變化后的收斂

與拓撲變化后的收斂密切相關的幾個基本概念：
1. 端口狀態機
STP交換機端口一共有五個狀態：

• Disable：表示端口還沒有使能
• Blocking：表示端口是AP（即非DP，也非RP），不能進行報文轉發工作。
• Listening，Learning，Forwarding：表示端口是DP或RP，可以進行報文轉發工作，但如果端口當選DP或RP就開始轉發工作的話，可能網絡中還有環路。（這是因為此時網絡還沒有完全收斂，可能自己的信息還不全，做出的決策時錯誤的；也有可能雖然自己的是正確決策，但別人還沒有獲得完整的信息，別人的決策不正確。），為了避免這種情況發生，STP采用了延遲轉發工作的決定，等待網絡完全穩定收斂下來后才進入轉發工作狀態。

STP端口狀態機

STP端口狀態機說明

2.幾個相關定時器

• Hello Timer：STP交換機發送BPDU的時間間隔。當網絡拓撲穩定之后，該計時器的修改只有在根橋修改才有效。根橋會在之后發出的BPDU中填充適當的字段以向其他非根橋傳遞該計時器修改信息。但當拓撲變化之后，TCN BPDU的發送不受這個計時器的管理。
• Forwarding Delay Timer：指一個端口Listening 和Learning的各自時間，默認為15秒，即Listening狀態持續15秒，隨后Learning狀態再持續15秒。這兩個狀態下的端口會處于Blocking狀態，這是STP用于避免臨時環路的關鍵。
• Max Age：端口的BPDU老化的時間，前文已經探討過。端口會根據接收到的BPDU存儲所接收到的最好的四個信息（根橋BID、累計根路徑開銷、發送者BID和發送端口PID）。每次接收到合適的BPDU，端口都會啟動這個Max Age計時器。超過這個Max Age時間端口接收不到合適BPDU，就會認為該BPDU已經失效。這個時間默認為20秒。

3. 拓撲變化后重新收斂需要解決那些問題

• 讓網絡邏輯拓撲重新恢復成一顆完整的樹。

網絡拓撲變化后，可能新增了鏈路，導致樹上又引入了環，此時需要重新破環。
也可能樹中某些鏈路斷了，導致樹的斷裂，此時需要啟用原來被刪鏈路，恢復樹的連通性。
甚至是根橋down掉了，需要重新選擇根橋。

解決方法：其實重新生成STP樹沒有什么特別的，其過程與初始收斂過程完全相同。
有一點需要說明的是：如果DR端口down了，或者根橋down了，需要等待MaxAge時間，
到了MAXAge時間后，通過BPDU的老化機制將無效BPDU刪除，并重新嘗試生成新的BPDU。

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• 即使恢復了STP樹，拓撲變化可能會MAC表錯誤，需要盡快清除這些錯誤MAC，否則流量仍然不能恢復。

比如：一個網絡最初如下：假設網橋 B1 阻塞了通向 B4 的鏈路。A 和 B 是具有已建立連接的兩個工作站。流量從 A 到 B 進入 B1、B2、B3，然后進入 B4。

最初網絡拓撲

現在，假設 B2 和 B3 之間的鏈路發生故障。在 B1 以轉發模式將其端口應用于 B4 之前，A 和 B 之間的通信會中斷（使用默認參數的情況下最長中斷 50 秒），這個比較容易理解。但是我們發現，即使B1-B4之間鏈路打開了，A->B的通訊仍然無法恢復，這是因為當 A 要向 B 發送幀時，B1 交換機上MAC表錯誤導致的，（B1仍然認為主機B的出接口是B2），數據包將被發送到黑洞。當B要到達A. Communication丟失在五分鐘，直到A和B MAC地址的條目老化。

錯誤的MAC表導致轉發黑洞

解決方法：為了盡快恢復流量轉發，STP引入了變更通知和應答消息
在常規 STP 操作中，網橋一直從其根端口上的根網橋接收配置 BPDU。但是，它從未派出BPDU往根網橋。為此，引入了稱為拓撲更改通知 (TCN) BPDU 的特殊 BPDU。因此，當網橋需要對拓撲更改發出信號時，它開始在其根端口上發送 TCN。指定的網橋接收并確認 TCN，還為自己的根端口生成另一個 TCN。此過程將一直持續，直到 TCN 發現根網橋為止。
TCN 是非常簡單的 BPDU，不包含網橋每 hello_time 秒（這是本地配置的 hello_time，不是配置 BPDU 中指定的 hello_time）發送的任何信息。指定的網橋通過立即發回設置了拓撲更改確認 (TCA) 位的正常配置 BPDU 來確認 TCN。通知拓撲更改的網橋不停地發送其 TCN，直到指定的網橋確認它為止。因此，指定的網橋將應答 TCN，即使不從其根網橋接收配置 BPDU 也是如此。

變更通知上報，直到樹根

將事件廣播到網絡
只要根網橋得知網絡中有拓撲更改事件，就會開始發送設置了拓撲更改 (TC) 位的配置 BPDU。這些 BPDU 將由網絡中設置了此位的每個網橋轉發。因此，所有網橋都注意到拓撲更改情況，并可以將其老化時間縮短到 forward_delay。網橋在轉發和阻塞端口上接收拓撲更改 BPDU。
TC 位在 max_age + forward_delay 秒（默認情況下為 20+15=35 秒）內由根網橋設置。

BPDU從根向下發送

BPDU發送時機

1. 對于根橋，主動發送BPDU：根據Hello周期，主動通過所有DP發送BPDU
2. 非根橋，中繼BPDU：從RP收到BPDU，從所有DP發送出去。

什么時候認為是拓撲發生了變化

1.網橋至少有一個指定端口，并且某端口從其他（Blocking、Listening、Learning）狀態轉到Forwading狀態。
2.某端口由Forwading、Learning狀態轉到Blocking狀態。

拓撲變化的實例分析

1. 根橋宕機
   根橋如果down機的話，所有網絡都收不到保活報文，到了MaxAge后，網絡重新選舉。
   （皇上駕崩，天下大亂，群雄逐鹿，重立新主）

2. 某條鏈路break,比如下圖：SW1是ROOT，SW1和SW3之間cost 是100，其他cost 都是20.所以正常情況下，會將SW1和SW3之間的鏈路剪枝。如果SW1和SW2之間的鏈路出現故障，我們看看重新收斂過程如何。

一個例子

1. 出現故障的鏈路是SW2的RP端口鏈路，SW2無法從他的RP端口收包根橋的保活BPDU.
2. 因為SW2也無法從其他端口收到BPDU保活，所以一段時間過后，SW2認為網絡中沒有根了（實際上是因為信息的缺失而導致錯誤的認為）。SW2開始自立為王（根橋）。
3. SW4發現根橋發生了變化，但他也不知道具體是什么情況，領導（上游節點）既然這么說了，就跟著領導走吧。他也宣稱根橋變成了SW2。并把這一信息向外擴散。
4. SW3收到SW4的宣告,發現不對，SW1應該比SW2更強，并且自己離SW1更近，隨即SW3宣告SW1應該是老大，并自己變成該網段的DP，開始在該網段上發送BPDU。隨后大軍壓境，重新收復SW4和SW2.最終恢復天下太平。

參考資料：

Cisco:網絡拓撲變化
STP與RSTP的比較