STP协议的工作原理和配置方法

STP工作原理

STP能够检测并防止2层桥接环路的形成。

可以存在多条并行的路径，但只使用一条路径来转发数据帧，并基于IEEE 802.1D桥协议标准。

802.1w作为一种增强的生成树，在拓扑发生变化时可提供比传统生成树更快的收敛速度。

Cisco交换机在PVST+（每 VLAN 生成树）或Rapid-PVST+（快速每VLAN 生成树）中为每个VLAN运行单独的 STP 实例（instance）。运行RPVST的交换机之间需要配置 Trunking。

对于工业标准 IEEE 802.1Q的Trunk链路来说，所有的 VLAN只需一个STP 实例。公共生成树（CST）使用VLAN 1通信。

PVST+作为Cisco私有的扩展技术，允许交换机在CST与PVST之间互操作。PVST桥协议数据单元（BPDU）在802.1Q Trunk链路上以隧道方式传输。Catalyst交换机默认运行PVST+。

快速PVST+是一种混合模式的STP，其使用了结合了 PVST基础的IEEE 802.1w（快速生成树）。快速PVST+兼容IEEE 802.1w，但须使用Cisco扩展技术来支持每VLAN生成树。

基于IEEE 802.1s标准的多生成树（MST）对802.1w RSTP进行扩展，使其拥有多个STP实例。

a. MST向下兼容802.1D、802.1w及PVST+模式的STP。

b. 使用公共VLAN和STP实例的多个交换机组成一个MST区域。

c. MST可产生PVST+的BPDU，用来实现协议之间的互操作性。

d. MST支持最多16个STP实例。

交换机在每个Hello时间间隔（默认2秒）都会向所有接口发送BPDU。

BPDU不能被交换机直接转发，其用于进一步计算并产生新的 BPDU。

交换机发送两种类型的BPDU。

    a.配置BPDU。

    b.拓扑变更通告（TCN）BPDU。

STP流程

 01  选举根桥 

桥ID最小的交换机将成为生成树的根桥。

桥 ID（BID）由两字节的优先级字段和6字节的MAC地址组成。

优先级字段范围为0～65535，默认是32768。

 02  选举根端口 

每台非根桥交换机上将选举出一个根端口，或称为离根桥“最近”的端口。

“最近”指端口带有最低的根路径开销值。

开销值携带于BPDU中。

沿路上每台非根桥交换机都会在BPDU的入站端口上增加本地端口开销值。

随着新的BPDU的产生，根路径值开销逐渐累积。

 03  选举指定端口 

在每个网段上，其中一台交换机的端口将选举成为指定端口，用于处理此网段的流量，网段中宣告最低根路径开销的端口选举成为指定端口。

 04  移除桥接环路 

既不是根端口又不是指定端口的交换机端口将被置于阻塞状态。

此步骤将中断所有桥接环路，否则，将会形成环路。

STP仲裁

当STP选举遇到先决条件相同或称为平局时，最重决策基于以下一系列条件。

1.最小的BID。

2.最低的根路径开销。

3.最小的发送方的BID。

4.最小的端口ID。

路径开销

默认情况下，交换机端口具有如下表中定义的路径开销值。

默认下，工作在 RPVST+模式下的Catalyst交换机使用“短模式”，即16比特的路径或端口开销值。

当网络中的端口速率小于1Gbit/s 时，短模式范围的开销值已经足够。

不过，如果存在10Gbit/s或速率更高的端口，需要将网络中所有交换机设置成使用“长模式”，即32比特的路径开销范围，这样做可确保所有的交换机计算根路径开销值的一致性。

STP端口状态

每台交换机的端口须经历一系列的端口状态改变。

 01  禁用状态（disabled）

端口被管理性的关闭或由于故障引起的端口关闭（MST称此状态为丢弃状态（discarding））。

 02  阻塞状态（blocking）

此端口状态出现在端口初始化之后。处于阻塞状态的端口不能接收或传输数据，不能向自己的地址表添加MAC地址，只能接收BPDUs。

如果检测出存在桥接环路，或者端口失去其根端口或指定端口的状态，那么它将返回到阻塞状态（MST称此状态为丢弃状态）。

 03  侦听状态（listening）

如果某端口可成为根端口或指定端口，该端口将进入侦听状态。

侦听状态的端口不能接收或传输数据，也不能向自己的地址表中添加MAC地址可以收发BPDU（MST称此状态为丢弃状态）。

 04  学习状态（learning）

在转发延时计时器到期后（默认 15 秒），端口将进入学习状态．学习状态的端口不能传输数据但可收发BPDU，此状态下可学习MAC地址并可将地址加入到地址表中。

 05  转发状态（forwarding）

在第2个转发延时计时器到期后（默认15秒），端口将进入转发状态。

此状态下的端口可以收发数据、学习MAC地址及收发BPDUs。

STP拓扑变化

如果交换机的某个端口进入了转发状态（启动了 PortFast 技术除外），将产生拓扑变更信号。

如果交换机的某个端口从转发或学习状态进入阻塞状态，将产生拓扑变更信号。

为了发送拓扑变更信号，交换机会在每个Hello时间间隔从根端口向外发送TCN BPDU。

直到上行的指定桥邻居确认了 TCN BPDU。

邻居会在自身的根端口上继续中继TCN BPDU直到根桥收到为止。

根桥通过发送配置BPDU来将拓扑变更通知给整棵生成树，这种BPDU设置了拓扑变更位（TC）。

此操作将导致所有的下行交换机将其地址表老化时间（默认300秒）减少到转发延时（默认15秒），使得交换机将不活动的MAC地址更快的刷新出地址表。

增强 STP 的稳定性

STP根保护（Root Guard）特性用来在交换网络内强制根桥位置及身份。

在端口启用了Root Guard特性后，如果该端口收到了更优的BPDU，那么Root Guard将停用此端口。

此技术用于避免其他交换机意外地成为根桥。

应该在所有不应出现根桥的端口上启用STP Root Guard 特性，这样做保护了当前主根桥和备根桥的选择。

单向链路检测（UDLD）提供了一种检测单向传输链路的方法，使得STP无法常规检测出来或阻止的路由环路和流量黑洞得以防止。

工作在2层的UDLD发送含有设备ID与端口ID的数据包至交换机端口所连的邻居设备。

同时，邻居将任何收到的UDLD 数据包原路发回，以便让它的邻居知道该数据包已经被对端邻居识别。

UDLD消息以消息间隔（message interval）时间发出，通常默认值为15秒。

UDLD可工作在两种模式下：

普通模式（normal mode）

单向链路作为一种错误被检测并报告出来，但不做其他动作。

主动模式 （aggressive mode）

单向链路作为一种错误被检测并报告出来，在8次尝试（1秒一次，共8秒）重新建立链路后停用端口。停用的端口须手工重新启用。

STP环路防护（Loop Guard）技术用来在根端口（root port）和替换根端（alternate root port）上检测BPDU的缺失。如果收不到BPDU，非指定端口将被临时停用，用来防止非指定端口错误的成为指定端口并进入转发状态。

对于所有可能活动STP拓扑来说，应该在所有根端口和替换根端口（两者都是非指定端口）上启用STP Loop Guard。

STP 运作实例

来看一个STP运作的例子，如下图所示为3台Catalyst交换机互连成的三角形拓扑网络。

RP代表根端口，DP代表指定端口，F代表处于转发状态的端口，X代表处于阻塞状态的端口。

生成树算法过程如下：

 01  选举根桥 

所有3台交换机都具有相同的桥优先级（都为默认值32768）。但Catalyst A具有最小的MAC地址（00-00-00-00-00-0a），故Catalyst A选举成为根桥。

 02  选举根端口 

在每台非根桥交换机上计算出最低的根路径开销。

在Catalyst B上为端口1/1，其端口路径开销为 0+19， Catalyst C上为端口1/1，其根路径开销同样是 0+19。

 03  选举指定端口 

根据规定，根桥上的所有端口都将成为各自网段的指定端口。

因此，Catalyst A上的端口1/1与1/2都为指定端口。

Catalyst B端口1/2与Catalyst C 端口1/2 共享一个网段，须在两端口之间选举出一个指定端口。

这两个端口的根路径开销都为0+19+19，即38，出现了平局。

再选出最低的发送方的BID，故Catalyst B（MAC 地址最小）的端口1/2 选举成为指定端口。

 04  既不是根端口又不是指定端口的所有端口将处于阻塞状态 

唯一剩下的Catalyst C上端口1/2，既不是根端口，又不是指定端口。该端口将进入阻塞状态（图中X所示 ）。

配置STP

 01 （可选）启用或禁用 STP 

(global) [no] spanning-tree [vlan vlan]

默认情况下， STP 启用在 VLAN 1 和任何新创建的 VLAN 中。

如果未指定具体的 VLAN，将在所有 VLAN 上启用或禁用 STP。

要知道如果禁用了 STP，将不能检测并防止桥接环路的形成。交换机应始终启用 STP。

 02 （可选）设置交换机的 STP 模式

spanning-tree mode (pvst I mst I rapid- pvst]

默认情况下，所有 Catalyst 交换机为每个 VLAN 的 STP 实例运行 PVST+模式的 STP。

想要配置成其他的STP模式，须明确使用选项rapid-pvst（带有IEEE兼容性的每 vlan 802.1w）或mst。

 03 （仅适用于 MST）激活一个 MST 实例

（1）进入 MST 配置模式

spanning-tree mst configuration

（2）定义 MST 区域

（mst )name name

（mst )revision revision-number

使用name（最多32字符的文本字符串）来定义MST区域。

如果未指定区域名，系统将不使用区域名。用户可以使用区域修订号来指出区域配置改变的次数。

修订号revision-number（0～65535，默认为 1）须明确地设定，并且不会随区域配置变化自动递增。

（3）将一个或多个VLAN映射到实例中

instance instance-id vlan vlan-range

此命令用于将vlan号（ 1～1005、1025～4094）映射到 MST instance（0～15）中。

映射关系将保存在MST区域缓存中。

（4）退出 MST 配置模式

（mst）end

输入end命令将退出并返回到特权模式。同时配置的改变立即生效。

但如果想永久保存MST配置，须将配置保存至NVRAM中。

 04 （可选）放置根桥交换机

（global）spanning-tree vlan vlan root {primary | secondary} [diameter net-diameter ][hello-time hello-time]

或 

（global） spanning-tree mst instance-id root {primary | secondary} [diameter net-diameter ][hello-time hello-time]

带有参数 primary 的命令将使交换机成为若干 VLAN（1～1005和1025～4094）或指定的STP 实例（1～16，如未指定即VLAN 1）的主根桥。

网桥优先级的修改规则如下：如果大于8192，将被设置成8092；

如果小于8192，将被设置成比当前根桥优先级更小的值。

可以使用关键字 secondary来指定备根桥或次根桥，以防主根桥失效。

这里，网桥优先级将被设置成16384（对于MST来说，根桥优先级被设置成24576，备根桥被设置成 28672）。

关键字diameter指定了网络中两端点之间的直径，即网桥或交换机的数量（1～7，默认为7）。

可同时设定Hello时间间隔（默认2秒钟）。

网络直径的设置将导致系统自动计算并修改其他STP计时器值。

可使用其他命令明确地调整计时器值，不过调整直径隐藏了计时器计算的复杂性。

 05 （可选）调整网桥的优先级

（global）spanning-tree vlan vlan priority priority [diameter net-diameter ][hello-time hello-time]

或

（global）spanning-tree mst instance-id priority priority [diameter net-diameter ][hello-time hello-time]

用户可以直接将网桥优先级修改成其他数值，而不是自动获得的主备根桥的优先级。

优先级可基于每VLAN或STP实例来设定。

选项instance-list指定了实例号，可使用逗号或连字符来定义一个或一组实例。

如果想强制某台交换机成为根桥，应为此交换机配置一个比在VLAN或STP实例中其他所有交换机都要低的优先级。

对于PVST+来说网桥优先级范围介于 0～65535（默认为 32768），不过，当启用扩展 VLAN 支持功能后，优先级只能设定成以下固定数值：

0（优先级最高）、4096、8192、12288、16384、20480、24576、28672、32768、36864、40960、45056、49152、53248、 57344和61440（优先级最低）。

 06 （可选）阻止端口成为STP根端口

 (interface) spanning -tree rootguard

此命令将在端口或接口上启用 STP Root Guard（根保护）特性。

如果连接到此端口的网桥通告一个更低的桥ID并成为了根桥，此端口将进入root-inconsistent（侦听）STP状态。

当此端口不再能检测到根桥的BPDU时，将退回到正常的工作状态。

 07 （可选）调节根路径开销

（1）（可选）设置端口开销取值范围

(global) spanning-tree pathcost defaultcost-method [long I short]

默认下， PVST+的交换机使用 short 模式（16 比特）端口开销值。

如果有10Gbit/s或以上的端口，应在网络中的所有交换机上将端口开销取值范围设定为 long 模式（32 比特）。

MISTP、 MISTP-PVST+及 MST 默认使用“长模式”的端口开销。

（2）设定所有VLAN或实例的端口开销

此命令可将所有VLAN或STP实例的端口开销设定成cost （短模式或 MISTP模式下为 1～65535，在长模式下为 1～200000000）。

（3）设定每 VLAN 或每个实例的端口开销

（interface） spanning-tree vlan vlan-id cost cost

或

（interface） spanning-tree mst instance-id cost cost

此命令可将 VLAN vlan-id 或 STP 实例 instance-id（0～15）的端口开销设定为 cost（短模式为 1～65535，长模式为 1～200000000）。

 08 （可选）调节端口优先级

（1）设定所有 VLAN 或实例的端口优先级

此命令将端口优先级设定成priority(2～255)。

（2）设定每 VLAN 或每个实例的端口优先级

（interface） spanning-tree vlan vlan-list port-priority priority

或

（interface）spanning-tree mst instance-id port-priority priority

此命令将VLAN vlan-id或STP实例instance-id（0～15）的端口优先级设定为。

 09 （可选）使用 UDLD 检测单向连接

（1）在交换机上启用 UDLD

默认情况下， UDLD 处于停用状态。

在将 UDLD 应用在特定端口之前须先将其启用。

Supervisor IOS 中可使用关键字 aggressive 来在所有以太网光纤端口上全局地启用UDLD主动模式。

（2）（可选）调整UDLD消息间隔计时器

此命令将 UDLD 消息时间间隔设定成interval（7～90 秒，默认 60 秒）。

（3）在特定端口上启用UDLD

( interface) udld [enable I disable ]

在交换机上全局启用 UDLD 后， UDLD 将默认启用在所有以太网光纤端口上。

默认下，在所有的以太网双绞线介质端口上， UDLD处于停用状态。

（4）（可选）在特定端口上启用UDLD主动模式

( interface) udld aggressive

在端口上启用 UDLD 主动模式之后，当系统检测到单向连接时将停用此端口。

问题修正后须手动地重新启用该端口。

在 Supervisor IOS 中，可使用特权命令udld reset来重新启用所有被UDLD停用的端口。

 10 （可选）使用 Loop Guard 特性来增强 STP 的稳定性 

( interface) spanning-tree loopguard

Loop Guard（环路防护）特性应只启用在已知的根端口或替换根端口上。

例如，接入层交换机的上行端口一定是根端口或替换根端口，原因是这些端口离根桥最近（假定用户将根桥放置在了网络的中心位置）。

　　审核编辑：汤梓红