STP解决什么问题

生成树协议（Spanning-Tree Protocol，以下简称STP）是一个用于在局域网中消除环路的协议。运行该协议的交换机通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并适当对某些端口进行阻塞以消除环路。由于局域网规模的不断增长，STP已经成为了当前最重要的局域网协议之一。

二层网络环路会引发哪些问题

环路导致网络报文风暴：
由于在二层网络中，广播，组播，未知单播都采用了泛洪的方式，如果网络中存在环路，会导致报文无限复制，直到最终网络崩溃。

由于泛洪导致网络报文转发环路

环路导致MAC表震荡
如上图，在报文复制的过程中，SwitchB会发现PC1的报文一会儿从上面接口收到，一会儿从下面接口收到，反复震荡，导致MAC表不稳定。
即使是已知单播，也可能会导致问题，如下图：

已知单播导致的MAC震荡

1. PCB发送单播报文给PCA，该报文源Mac为MacB，目的Mac为MacA。
2. SW1从B接口收到该报文，所以SW1认为MacB对应的出接口为B
3. 该单播报文也会被SW2转发，从A端口进入SW1，这样SW1又认为MacB对应的出接口为A。
4. 改过程反复出现，导致SW1的MAC表不停震荡。

STP如何解决问题

下图是一个有环路的网络演示例子，我们看看STP如何在这个网络中计算出一个生成树，并将会导致环路的链路阻塞。

一个有环路的网络

• 1. 选根桥：首先各交换机根据优先级和MAC地址，选出一个BID最小的交换机，作为整个网络的根。

相关术语：
网桥：比较早期的网络中，称交换机为网桥。在某些场景中网桥和交换机会交替使用。
网桥ID：BID—网桥的优先级+网桥MAC。
根桥:BID（网桥ID）最小的网桥定为根桥。在没有配置优先级的网络中，根桥将有MAC地址最小的网桥担任。如果网络中配置了各个交换机的优先级，则由优先级最小的交换机当人跟桥。

选出整个网络的根节点

• 2. 确定根端口、指定端口、可选端口

根端口和指定端口和可选端口的内涵：
根端口（RP-RootPort），交换机上最优的端口。

• 根端口的概念是针对交换机的，是指（一个非根桥的STP）交换机上离根桥最近的端口。
• 一个STP交换机上有且仅有一个RP。
• 对于根桥发出的报文来看，流量从根端口进入交换机

指定端口（DP-DesignatedPort），链路上的最优端口。

• 指定端口的概念是针对于某链路的，指定端口是链路上离根桥最近的端口。
• 一个链路上有且仅有一个DP。
• 对于根桥发出的报文来看，流量从指定端口流出交换机。

可选端口（AP-AlternatedPort）：, 非最优端口

• 即非根端口，也非指定端口，说明该端口不在生成树上，则该端口需要阻塞。所以可选端口也称为阻塞端口。

我们看看根端口RP和指定端口DP的简单示例，对RP和DP有一个直观的认识。指定端口DP就是树中父节点上的端口，根端口RP就是树中子节点上的端口。

一颗生成树中的根端口和指定端口

• 3. 关闭所有阻塞端口的流量转发功能
  相当于把可能形成环路的端口流量转发功能全部关闭（俗称破环或剪枝），通过这样的操作，将物理上的一个网状拓扑改造为一个逻辑上的树状拓扑。从而消除网络环路。

看看完整的示例，包括根端口RP，指定端口DP和可选端口AP。STP通过关闭AP端口的转发功能，将物理上的网状拓扑，转变为逻辑上的树状拓扑。从而消除网络环路。

网络中的RP，DP和阻塞端口的完整示例

在整个网络消除环路，稳定后，应该处于这样一种状态

1. 根桥在周期性的发送Hello BPDU
2. 这些BPDU报文从根往叶子周期性发送（基于根桥的保活周期）
   非根桥周期性的从RP端口收到这些BPDU（如果有必要，更新本地信息后），
   从DP端口将这些报文往树的叶子方向
3. 对于阻塞接口，应该能周期性的收到DP发送过来的报文。

拓扑变化后的响应

1. 从上面过程可以看到，BPDU会周期性的从树根往叶子发送。
2. 每一个端口的最优BPDU都有一个有效期，如果超过这个有效期有没收到BPDU，则认为该BPDU已经无效。尝试重新收敛。

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更多的细节

1. 协议基础：报文格式

要实现STP功能，网桥之间必须要进行一些信息的交互，这些信息交互单元就称为配置消息BPDU（BridgeProtocolDataUnit）。STPBPDU是一种二层报文，目的MAC是多播地址01-80-C2-00-00-00，所有支持STP协议的网桥都会接收并处理收到的BPDU报文。该报文的数据区里携带了用于生成树计算的所有有用信息。具体如下：

BPDU报文格式

各字段的含义

在BPDU中，最核心的字段是根桥ID，跟路径成本，发送网桥ID，端口ID四个字段。这四个字段组成四元组，用来比较两个BPDU的“好坏”。四元组越小，说明越好。
注：发送网桥ID，端口ID仅仅在路径成本相同时发挥作用

2. 协议运行过程

• 自认老大（根桥）:最初，每一台交换机都认为自己是根桥，尝试向外通告这一信息。
• 周期通告：STP交换机在每一个端口上定期（2s）发送BPDU报文
• 发现强者，归顺强者：每台交换机除了发送BPDU外，也从所有端口上接收BPDU，一旦在某端口上收听到比自己发的还要“好”的BPDU，那么这个端口就提取该BPDU中的某些信息，更新自己的信息。并停止在该链路上发送BPDU。
  收到更好的BPDU后需要更新的信息包括：
  • 自己认为的根桥BID（总体决策）：从所有端口中最好的BPDU中获得。
  • 本路由器的根端口（RP，总体决策）：从所有端口中最好的BPDU中获得。
  • 链路上的指定端口（DP，端口决策）：如果从该端口收到更好的BPDU，则说明别人李根桥更近，则自己端口不是DP，否则则认为自己是DP。

再次强调一下，比较BPDU的“好坏”的方式（自己的或其他交换机的），都是根据上面提到的四元组来完成的，即最低桥ID、最低根路径成本，最低发送者BID，最低端口ID。该端口缓存他人BPDU后，自己则立即停止发送BPDU。
当发送BPDU的时候，交换机填充Sender BID字段的总是自己的BID，而填充Root BID字段的是“当前我所认为是根桥的”BID。

• 最终收敛：此过程一直持续，直到最终网络收敛：最优的根桥最终被选举出来，并且RP，DP端口也被确定下来。整个网络归顺到一颗以最优BID为根的生长树上来。

3. 具体过程分析：选举根桥

1. 初始状态，自立山头：，虽然A的BID最小，但初始状态还没有互通信息，各自自立山头，此时正确的树上仅有孤零零的一个根节点。

初始状态，自立山头

2. 发现强者，归顺强者：通过BPDU的对外通告，树逐渐向外生长，收复C和D两个节点，但B节点还不再王化之内。

发现强者，归属强者

3. 通告全网，天下归心：随着根桥的势力范围扩大，已归顺节点（如图中的C和D）也帮着A对外宣传根桥是A，最终该信息传遍全网，天下归心，大家都臣服在A的STP树下。至此，全网就有了一个统一的根，即BID最小的A。

归顺中央，统一全网

4. 具体过程分析：最佳树的生成与RP和DP的确定

整个网络的破环与剪枝过程与选举根桥过程类似，都是从根桥出发，这棵树逐步向外生长，直到最后长满整个网络。
1. 天地初开，一片混沌：此时正确的树上仅一个跟节点，其他节点的信息都是错误或不可信的。

天地初开，一片混沌(左边是物理视图，右边是树的逻辑实体)

2. 树开始向外“生长”：离根最近的交换机首先收到根节点的召唤（根节点会发送“最优”的BPDU），加入到树上来。产生了正确的RP，DP信息。

树开始向外生长(左边是物理视图，右边是树的逻辑实体)

3. 树“生长”至整个网络：随着树的进一步生长，节点一个接一个的加入到树上来（通过向外发布“更好”的BPDU吸引其他节点加入）。最终遍布整个网络，形成了一颗全网的STP树。

树长满整个网络(左边是物理视图，右边是树的逻辑实体)

注1：当然树的生长并不是一帆风顺的，有时候由于网络时延或定时器的原因，
某些节点可能会加入错误的分枝，但最终这些误入歧途的节点都能重新找到正确的分枝加入

注2：虽然我们上面为了说明简单，将根节点的选举和DP，RP的确定分两个阶段来说明，
实际协议运行过程中，并没有明确的区分这两个阶段。他们是统一在“最佳BPDU传递”这
个统一的协议处理流程中的。

5. 拓扑变化后的收敛

与拓扑变化后的收敛密切相关的几个基本概念：
1. 端口状态机
STP交换机端口一共有五个状态：

• Disable：表示端口还没有使能
• Blocking：表示端口是AP（即非DP，也非RP），不能进行报文转发工作。
• Listening，Learning，Forwarding：表示端口是DP或RP，可以进行报文转发工作，但如果端口当选DP或RP就开始转发工作的话，可能网络中还有环路。（这是因为此时网络还没有完全收敛，可能自己的信息还不全，做出的决策时错误的；也有可能虽然自己的是正确决策，但别人还没有获得完整的信息，别人的决策不正确。），为了避免这种情况发生，STP采用了延迟转发工作的决定，等待网络完全稳定收敛下来后才进入转发工作状态。

STP端口状态机

STP端口状态机说明

2.几个相关定时器

• Hello Timer：STP交换机发送BPDU的时间间隔。当网络拓扑稳定之后，该计时器的修改只有在根桥修改才有效。根桥会在之后发出的BPDU中填充适当的字段以向其他非根桥传递该计时器修改信息。但当拓扑变化之后，TCN BPDU的发送不受这个计时器的管理。
• Forwarding Delay Timer：指一个端口Listening 和Learning的各自时间，默认为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会处于Blocking状态，这是STP用于避免临时环路的关键。
• Max Age：端口的BPDU老化的时间，前文已经探讨过。端口会根据接收到的BPDU存储所接收到的最好的四个信息（根桥BID、累计根路径开销、发送者BID和发送端口PID）。每次接收到合适的BPDU，端口都会启动这个Max Age计时器。超过这个Max Age时间端口接收不到合适BPDU，就会认为该BPDU已经失效。这个时间默认为20秒。

3. 拓扑变化后重新收敛需要解决那些问题

• 让网络逻辑拓扑重新恢复成一颗完整的树。

网络拓扑变化后，可能新增了链路，导致树上又引入了环，此时需要重新破环。
也可能树中某些链路断了，导致树的断裂，此时需要启用原来被删链路，恢复树的连通性。
甚至是根桥down掉了，需要重新选择根桥。

解决方法：其实重新生成STP树没有什么特别的，其过程与初始收敛过程完全相同。
有一点需要说明的是：如果DR端口down了，或者根桥down了，需要等待MaxAge时间，
到了MAXAge时间后，通过BPDU的老化机制将无效BPDU删除，并重新尝试生成新的BPDU。

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• 即使恢复了STP树，拓扑变化可能会MAC表错误，需要尽快清除这些错误MAC，否则流量仍然不能恢复。

比如：一个网络最初如下：假设网桥 B1 阻塞了通向 B4 的链路。A 和 B 是具有已建立连接的两个工作站。流量从 A 到 B 进入 B1、B2、B3，然后进入 B4。

最初网络拓扑

现在，假设 B2 和 B3 之间的链路发生故障。在 B1 以转发模式将其端口应用于 B4 之前，A 和 B 之间的通信会中断（使用默认参数的情况下最长中断 50 秒），这个比较容易理解。但是我们发现，即使B1-B4之间链路打开了，A->B的通讯仍然无法恢复，这是因为当 A 要向 B 发送帧时，B1 交换机上MAC表错误导致的，（B1仍然认为主机B的出接口是B2），数据包将被发送到黑洞。当B要到达A. Communication丢失在五分钟，直到A和B MAC地址的条目老化。

错误的MAC表导致转发黑洞

解决方法：为了尽快恢复流量转发，STP引入了变更通知和应答消息
在常规 STP 操作中，网桥一直从其根端口上的根网桥接收配置 BPDU。但是，它从未派出BPDU往根网桥。为此，引入了称为拓扑更改通知 (TCN) BPDU 的特殊 BPDU。因此，当网桥需要对拓扑更改发出信号时，它开始在其根端口上发送 TCN。指定的网桥接收并确认 TCN，还为自己的根端口生成另一个 TCN。此过程将一直持续，直到 TCN 发现根网桥为止。
TCN 是非常简单的 BPDU，不包含网桥每 hello_time 秒（这是本地配置的 hello_time，不是配置 BPDU 中指定的 hello_time）发送的任何信息。指定的网桥通过立即发回设置了拓扑更改确认 (TCA) 位的正常配置 BPDU 来确认 TCN。通知拓扑更改的网桥不停地发送其 TCN，直到指定的网桥确认它为止。因此，指定的网桥将应答 TCN，即使不从其根网桥接收配置 BPDU 也是如此。

变更通知上报，直到树根

将事件广播到网络
只要根网桥得知网络中有拓扑更改事件，就会开始发送设置了拓扑更改 (TC) 位的配置 BPDU。这些 BPDU 将由网络中设置了此位的每个网桥转发。因此，所有网桥都注意到拓扑更改情况，并可以将其老化时间缩短到 forward_delay。网桥在转发和阻塞端口上接收拓扑更改 BPDU。
TC 位在 max_age + forward_delay 秒（默认情况下为 20+15=35 秒）内由根网桥设置。

BPDU从根向下发送

BPDU发送时机

1. 对于根桥，主动发送BPDU：根据Hello周期，主动通过所有DP发送BPDU
2. 非根桥，中继BPDU：从RP收到BPDU，从所有DP发送出去。

什么时候认为是拓扑发生了变化

1.网桥至少有一个指定端口，并且某端口从其他（Blocking、Listening、Learning）状态转到Forwading状态。
2.某端口由Forwading、Learning状态转到Blocking状态。

拓扑变化的实例分析

1. 根桥宕机
   根桥如果down机的话，所有网络都收不到保活报文，到了MaxAge后，网络重新选举。
   （皇上驾崩，天下大乱，群雄逐鹿，重立新主）

2. 某条链路break,比如下图：SW1是ROOT，SW1和SW3之间cost 是100，其他cost 都是20.所以正常情况下，会将SW1和SW3之间的链路剪枝。如果SW1和SW2之间的链路出现故障，我们看看重新收敛过程如何。

一个例子

1. 出现故障的链路是SW2的RP端口链路，SW2无法从他的RP端口收包根桥的保活BPDU.
2. 因为SW2也无法从其他端口收到BPDU保活，所以一段时间过后，SW2认为网络中没有根了（实际上是因为信息的缺失而导致错误的认为）。SW2开始自立为王（根桥）。
3. SW4发现根桥发生了变化，但他也不知道具体是什么情况，领导（上游节点）既然这么说了，就跟着领导走吧。他也宣称根桥变成了SW2。并把这一信息向外扩散。
4. SW3收到SW4的宣告,发现不对，SW1应该比SW2更强，并且自己离SW1更近，随即SW3宣告SW1应该是老大，并自己变成该网段的DP，开始在该网段上发送BPDU。随后大军压境，重新收复SW4和SW2.最终恢复天下太平。

参考资料：

Cisco:网络拓扑变化
STP与RSTP的比较