环路问题

在交换机构成的局域网网络中，时常为了减少单链路的故障，增加网络可靠性。交换网络中通常会增加冗余链路。

以下图为例，当交换机 S1 和 S2 之间不存在链路时，PC1 向 PC2 发送数据帧，只能通过PC1→S1→S2→S3→PC2这一条单链路。如果 S1-S2 或 S2-S3 中任意一个链路出现故障时，就会导致数据帧不可达。

当 S1-S3 这条链路建立后，PC1 发送数据帧至 PC2 就有两条链路可走，分别是PC1→S1→S2→S3→PC2 和PC1→S1→S3→PC2，提高了网络的可靠性。

环路拓扑图

在建立了S1-S3这条链路后就形成了网络环路，环路是可以提高网络连接的可靠性的，同时也会带来一系列的问题。比如 MAC 地址表翻摆、广播风暴、多帧复制等

MAC 地址表翻摆：大量消耗交换机处理资源，甚至交换机瘫痪；
广播风暴：产生大量的广播帧，计算机收到广播帧后会将广播帧的载荷数据上送给网络层处理，可能导致计算机瘫痪；
多帧复制：环路中若存在两台交换机有目的 PC 的 MAC 表，然后若一个单播帧被泛洪到了这两个交换机中，则目的 PC 会收到两个数据帧的拷贝。

假如 PC1 发起了一个广播帧，进入到交换机 S1 后，交换机 S1 收到广播帧后会直接进行泛洪操作，数据帧进入交换机 S2 和 S3，交换机 S2 和 S3 收到这个广播帧后也会直接进行泛洪操作。这个广播数据帧会在这个环路中顺时针+逆时针反复运动。于交换机而言，三个交换机的 MAC 表快速翻摆，消耗交换机处理资源甚至瘫痪；于接入的计算机而言，计算机收到广播帧后都会将该数据帧交给上层网络层去处理，大量的广播帧形成广播风暴可能会导致计算机瘫痪。

假如 PC1 向 PC2 发起了一个单播帧，假设此时交换机 S1 的 MAC 表中没有 PC2 的记录，但 S2 和 S3 的 MAC 表有 PC2 的记录。交换机 S1 就会将该帧复制然后进行泛洪操作。交换机 S1 复制后的帧会分别通过S1→S2→S3→PC2和S1→S3→PC2两条线路到达 PC2，此时 PC2 就收到了两条来自 PC1 的数据帧，即多帧复制。

STP 生成树协议

STP (Spanning Tree Protocol) 生成树协议，是一种由交换机运行的、用来解决交换网络中环路问题的数据链路层协议。

两大作用：

消除二层环路：通过阻断冗余链路来消除交换网络中的可能存在的环路；
链路备份：当活动的链路发生故障时，激活冗余链路，及时回复网络联通性。

工作原理：

在一个具有物理环路的交换网络中，通过在交换机之间交换 BPDU 消息来发现环路，并且有选择地阻塞某些端口，最终将自动生成一个没有环路的树形网络结构。
生成的无环路的网络结构被称为 STP 树（STP Tree）。

STP 中的几个术语

桥（Bridge）
可以不严谨地这样理解，早期交换机被叫做网桥（路由器被叫做网关类似）。
桥的 MAC 地址（Bridge MAC Address）
顾名思义，即交换机的 MAC 地址。但是一个交换机是有多个端口的，每个端口都会有一个 MAC 地址。通常把交换机所有端口中编号最小的那个端口的 MAC 地址作为桥的 MAC 地址。
桥 ID（Bridge Identifier，BID）
- 桥 ID 用于在 STP 中唯一标识一个网桥（交换机）；
- 桥 ID = 桥优先级 + 桥 MAC 地址
  - 桥优先级，头 2 个字节，默认是 0x8000（2^15 即 32768），优先级可人为设定，范围为 0 ～ 65536，步长为 4096；
    - 值约小优先级越高；
    - 因为目前只用到了前 4bit，所以步长为 4096（2^12）;
端口 ID（Port Identifier，PID）
- 端口 ID 用于在一个网桥中唯一地标识一个端口；
- 端口 ID = 端口优先级 + 端口编号
  - 端口优先级，头 1 个字节，默认 128，普遍范围 0 ～ 240，步长为 16。
路径开销（Path Cost）
- 路径开销用于衡量路径的优劣；
- STP 中链路开销于链路带宽成反比；
  - 根路径开销（Root Path Cost，RPC）；
    - 某个交换机的端口到根桥的累计路径开销
- 不同的设备商采用的速率于路径开销标准可能不同。
端口速率路径开销（IEEE 802.1t）路径开销（华为）路径开销（华三）
10Mbit/s 2000000 200000 2000
100Mbit/s 200000 200 200
1Gbit/s 20000 20 20
10Gbit/s 2000 2 2

端口速率	路径开销（IEEE 802.1t）	路径开销（华为）	路径开销（华三）
10Mbit/s	2000000	200000	2000
100Mbit/s	200000	200	200
1Gbit/s	20000	20	20
10Gbit/s	2000	2	2

STP 工作流程

STP 工作流程总体分为四个步骤：

选举根桥
确定根端口
确定指定端口
阻塞备用端口

这里没有用有序列表，是因为这四个步骤在 STP 交换机工作时持续发生的事件。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit）网桥协议数据单元是 STP 协议帧。

以下例的网络拓扑图为例，观察 STP 树的生成过程

演示网络拓扑图

选举根桥

根桥是 STP 树的根节点，是整个交换网络的逻辑中心。根桥不是固定不变的，当网络的拓扑发生变化是，根桥也可能发生变化。

一个网络拓扑中的交换机（支持运行 STP 的交换机）在初始启动后都会向其它交换机发送 BPDU 宣告自己是根桥。当交换机收到其它交换机发来的 BPDU 时，会和自身的网桥 BID 做比较。通过不断交换 BPDU 最终会选出一台最小 BID 的交换机做根交换机。

根桥选举原则：

桥 ID 最小

选举根桥流程如下

选举根桥流程

选举根桥示例如下

根据上面所说的选举原则，BID 最小的交换机会被设定为根交换机，而 BID=优先级+桥 MAC；比较 BID 的大小，即从各 BID 的高位开始比较；如BID=32768.00-01-45-89-83-65，则32768→00→01→45→89→83→65

在所有 STP 交换机中，如果各 BID 中优先级不一致，则优先级数值最低（数值越低优先级越高）的那个交换机被设定为根交换机。
1. 如果需要指定某台交换机为根交换机，则可直接将优先级设定为0，即设定最高优先级；
若各交换机优先级一致，则需要比较其 MAC 地址；如下图所示，五个优先级一致的交换机中，交换机 A 的 MAC 最小，即 BID 最小，所以交换机 A 将会被选为根交换机。

根交换机选举结果

确定根端口（RP，Root Port）

根桥确定后，其它没有成为根桥的交换机都成为非根桥。为了保证某台非根桥设备到根桥设备的路径开销最小，需要选出一个根端口，非根交换机上的根端口用于与根桥之间进行报文交互。

一台非根交换机上最多只有一个根端口。

根端口用于接收根交换机发来的 BPDU，也用来转发普通流量。

根端口选举原则：

端口到根的路径开销最小
上行设备 BID 最小
上行设备 PID 最小

确定根端口流程如下

确定根端口流程

确定根端口示例如下

先给出最终的根端口（RP）的选举结果

根端口选举结果

路径开销采用华为标准，各链路速率开销如下表所示

端口速率	路径开销（华为）
10Mbit/s	200000
100Mbit/s	200
1Gbit/s	20
10Gbit/s	2

在第一步中，已经确定了交换机 A 为根交换机，所以 B、C、D、E 四个交换机为非根交换机。

现在需要在每个非根交换机上根据路径开销等条件选出一个根端口。

交换机 B
1. 交换机 B 和根交换机 A 之间是 GE 千兆链路，RPC(B→A)=20，RPC(B→C→A)=40。所以最小B→A链路 RPC 最小，则 G0/1 会被选为根端口。
交换机 C
1. 交换机 C 和交换机 B 同理，可以得到 G0/1 会被选为根端口。
交换机 D
1. 交换机 C 到根交换机有多条路径可达，其中PRC(D→B→A)=40和RPC(D→C→A)=40两条路径最短且花费相同；
2. 则比较上行设备的 BID，可以得到BID(B)>BID(C)，即交换机 C 被选为更优先转发的设备，即交换机 D 的 G0/2 会被选为根端口。
交换机 E
1. 交换机 E 到根交换机有多条路径可达，数据帧转发至根交换机 A 时都需要经过交换机 D，所以最小花费RPC(E→D→[B,C]→A) = 240。交换机 E 无论端口 F0/1 还是 F0/2 的 RPC 都为 240，且一致；
2. 则此时将比较上行设备交换机 D 的桥 BID，但两个端口 F0/1、F0/2 的上行设备都是交换机 D，所以上行设备 BID 也一致；
3. 则比较上行设备的 PID 大小，PID 越小优先级越高
  1. 如果交换机 D 的 F0/1、F0/2 两个端口优先级不一致，则优先级越高那个端口连接的交换机 E 的端口会被选为根端口；
  2. 如果交换机 D 的 F0/1、F0/2 两个端口优先级一致，则端口号越小的那个端口连接的交换机 E 的端口会被选为根端口。
  这里假设交换机 E 的上行设备交换机 D 各端口优先级一致，则交换机 D 的PID(F0/1)<PID(F0/2)，即交换机 E 的端口 F0/1 的上行设备端口 PID（交换机 D 的 F0/1）更小，所以交换机 E 的端口 F0/1 会被选为根端口。

确定指定端口（DP，Designated Port）

当一个网段有两条以及两条以上的路径通往根桥是（该网段连接的不同的交换机，或者该网段连接了同一台交换机的不同端口），与该网段相连的交换机就要确定出一个唯一的指定端口。

指定端口用于转发根交换机发来的 BPDU，也用来转发普通流量。

指定端口选举原则：

所在网桥到根的路径开销最小
本端网桥 BID 最小
本端端口 PID 最小

确定指定端口流程如下

确定指定端口流程

在经过确定根端口后，网络拓扑图中剩余三条链路还未解决构成的环路问题，分别是

B(G0/2)-C(G0/2)
B(G0/3)-D(G0/1)
D(F0/2)-E(F0/2)

指定端口中的剩余端口

STP 树最终的目的是解决环路问题，所以需要明确每一条链路是否应该阻塞，若阻塞应该阻塞该条链路的哪一方端口。指定端口则来解决剩余的链路问题。

确定指定端口示例如下

根交换机上所有端口都是指定端口；
1. 所以根交换机 A 的所有端口都是指定端口
根端口的对端端口一定是指定端口；
1. 交换机 C 的 G0/3 端口成为指定端口
2. 交换机 D 的 F0/1 端口成为指定端口
BPDU 转发端口到根交换的路径成本 RPC 最小
1. ```
D(F0/2)-E(F0/2)
```
  链路
  1. 根交换机发来数据帧要到达 D(F0/2)端口，其最短路径RPC(A→[B,C]→D(F0/2))=40；
  2. 根交换机发来数据帧要到达 E(F0/2)端口，其最短路径RPC(A→[B,C]→D→E(F0/2))=240；
  3. 端口 D(F0/2)小于 E(F0/2)的 RPC，所以该链路中 D(F0/2)被选定为指定端口；
2. ```
B(G0/3)-D(G0/1)
```
  链路
  1. 同理得出 B(G0/3)端口RPC(A→B)=20；
  2. 同理得出 D(G0/1)端口RPC(A→C→D)=40;
  3. 端口 B(G0/3)路径花费更小，故 B(G0/3)被选为指定端口
本端网桥 BID 最小
1. ```
B(G0/2)-C(G0/2)
```
  链路
  1. 同上流程一致，端口 B(G0/2)的RPC(A→B)=40，端口 C(G0/2)的RPC(A→C)=40。两个端口的 RPC 一致；
  2. 当 RPC 一致时，则比较本端交换机的 BID，BID 越小则优先级越高，则优先级高的交换机所在端口被选为指定端口，即 C(G0/2)为指定端口。

所以选取完成指定端口后，网络拓扑图如下

指定端口最终结果

阻塞备用端口（AP，Alternate）

在确定了根端口和指定端口之后，交换机上所有剩余的非根端口和非指定端口统称为备用端口。

STP 协议中会将这些备用端口进行逻辑阻塞，即不再转发由终端计算机产生并发送的帧（用户数据帧），但可以继续处理 STP 协议帧。

当阻塞了备用端口后，网络拓扑图标记如下

阻塞备用端口

最终逻辑网络拓扑图

在运行完成 STP 树四个流程后，去除干扰标识，最终逻辑上的网络拓扑图如下

运行STP协议后的最终拓扑图

环路问题#

STP 生成树协议#

STP 中的几个术语#

STP 工作流程#

选举根桥#

确定根端口（RP，Root Port）#

确定指定端口（DP，Designated Port）#

阻塞备用端口（AP，Alternate）#

最终逻辑网络拓扑图#