任務(wù)描述
局域網(wǎng)中常常為了冗余將網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為環(huán)形拓?fù)洌h(huán)形結(jié)構(gòu)能提升可靠性，隨之帶來的就是廣播風(fēng)暴，如果廣播幀無線轉(zhuǎn)發(fā)下去，勢必導(dǎo)致CPU負(fù)載過重，最終會使得局域網(wǎng)中的交換機(jī)癱瘓，這時候就會需要一種先進(jìn)的方法來解決這個問題，需要一種方法阻塞冗余鏈路，消除路徑環(huán)路，并且在必要時將冗余鏈路自動切換為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性，STP就是在這個背景下產(chǎn)生了。
■ 任務(wù)相關(guān)知識
1、STP的工作原理
STP（Spanning Tree Protocol）是生成樹協(xié)議的英文縮寫。將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)。由五個交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，為了提升網(wǎng)絡(luò)之間的可靠性，交換機(jī)之間構(gòu)成了環(huán)形拓?fù)洌魏我欢挝锢礞溌窋嚅_都不會影響網(wǎng)絡(luò)的通信；但是帶來的問題是，那些發(fā)給所有主機(jī)的廣播幀永遠(yuǎn)無法到達(dá)目的地，導(dǎo)致會在環(huán)路中不斷地轉(zhuǎn)發(fā)，最終會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。
圖1 交換機(jī)構(gòu)成的環(huán)形拓?fù)?/p>
解決問題的辦法就是破除環(huán)路，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)家設(shè)想用一種邏輯的方法將物理的環(huán)路切斷，這就是生成樹的思想，如圖2所示。
圖2 STP修剪后的樹形網(wǎng)絡(luò)
圖2中經(jīng)STP修剪后的樹形網(wǎng)絡(luò)，生成樹的樹根是一個稱為根橋（ROOT）的交換機(jī)，由根橋開始，逐級發(fā)散形成一棵樹，交換機(jī)根據(jù)端口的配置選出一個端口并把其他的端口阻塞，消除環(huán)路，且當(dāng)前活動的鏈路出現(xiàn)故障時，會激活阻塞的端口。
2、橋和端口
生成樹協(xié)議定義了一個數(shù)據(jù)包，叫做橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU（Bridge Protocol Data Unit），網(wǎng)橋用BPDU來相互通信，并用BPDU的相關(guān)機(jī)能來動態(tài)選擇根橋，生成樹的確定首先要選擇樹根節(jié)點，然后確定最短路徑，最后阻塞冗余鏈路。在生成樹的選舉和計算當(dāng)中，要用到幾個重要的概念如下：
（1）根橋（ROOT）：網(wǎng)絡(luò)中會選擇一個交換機(jī)為根橋，也稱之為根交換機(jī)，可以理解為生成樹的樹根。根橋依據(jù)橋ID(BID)進(jìn)行選舉，比較后橋ID小的選舉為根橋，如圖3中SWA被選舉為根橋。
橋ID：橋優(yōu)先級+MAC地址
圖3中SWA的橋ID為0.MACA，SWB的橋ID為8192.MACB，SWC的橋ID為32768.MACC，比較后得出SWA的優(yōu)先級最小，因此不用比較MAC地址，會自動選舉SWA為根橋。
（2）指定橋（Designated Bridge）：與根交換機(jī)處在同一個局域網(wǎng)中，且位于與根交換機(jī)的最短路徑中，如圖3中SWB和SWC為指定交換機(jī)，也稱指定橋。
（3）根端口（Root Port）：所有非根交換機(jī)都有一個根端口，根端口提供最短路徑到根交換機(jī)，如圖3中SWB、SWC與根交換機(jī)相連的端口即根端口。
（4）指定端口（Designnated Port）：指定交換機(jī)與局域網(wǎng)相連的端口，如圖3中SWB與SWC相連的端口，指定端口能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和BPDU；
（5）Alternate端口：冗余端口，處于阻塞狀態(tài)，如圖3中SWC與SWB相連的端口，Alternate端口只接收BPDU，不轉(zhuǎn)發(fā)。
圖3 STP拓?fù)渲薪粨Q機(jī)的角色
選舉出根橋后，根端口和指定端口如圖3所示，正常時Y端口會持續(xù)收到X發(fā)出的BPDU數(shù)據(jù)；當(dāng)SWB與SWA之間的鏈路斷掉后，此時X端口的重要性就突顯出來了，X端口會持續(xù)向Y發(fā)送BPDU，此時Y端口意識到可能要成為指定端口或者根端口，就會從非指定端口的BLOCKING狀態(tài)轉(zhuǎn)到LISTENING狀態(tài)，進(jìn)而可以發(fā)送BPDU（此時還不能發(fā)送數(shù)據(jù)幀）；Y端口變?yōu)長ISTENING狀態(tài)后可以參與指定端口、根端口的選舉，繼而從BLOCKING>LISTENING>LEARNING>FORWARDING狀態(tài)，依據(jù)選舉過程，A會變?yōu)楦丝冢珺會變成指定端口，從而完成了網(wǎng)絡(luò)鏈路的冗余，又破除了交換機(jī)的環(huán)路。
3、路徑開銷（Path Cost）
路徑開銷用于衡量橋與橋之間路徑的優(yōu)劣，STP中每條鏈路都具有開銷值，路徑開銷等于路徑上全部鏈路開銷之和，不同接口類型的開銷如圖4所示。
圖4 STP中的路徑開銷
由表可知，圖4中1Gb/s的接口路徑開銷為20,100Mb/s的接口路徑開銷為200，開銷越小，意味著最優(yōu)路徑。
■ 任務(wù)完成步驟
1、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃
根據(jù)任務(wù)需求，簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三臺交換機(jī)組成一個環(huán)形拓?fù)淙鐖D5所示。
圖5 交換機(jī)STP配置拓?fù)鋱D
要求：
（1）開啟生成樹協(xié)議STP，觀察相關(guān)現(xiàn)象；
（2）配置STP，使得SW1為STP主根，SW2為次根，并且SW3的GE0/0/23為Block；
（3）在交換機(jī)上查看STP配置狀態(tài)。
2、開啟SW1、SW2、SW3的STP協(xié)議
開啟交換機(jī)的STP協(xié)議如下：
[SW1 ]stp mode stp
[SW1] stp enable
[SW2] stp mode stp
[SW2] stp enable
[SW3] stp mode stp
[SW3] stp enable
在完成上述配置后，STP開始工作，并開始選舉根橋（ROOT），三臺交換機(jī)中，STP橋ID（橋優(yōu)先級+橋MAC）最小的交換機(jī)將成為本交換網(wǎng)絡(luò)的根橋。三臺交換機(jī)開啟STP后的狀態(tài)如圖6、圖7、圖8所示。
圖6 SW1的STP狀態(tài)
圖7 SW2的STP狀態(tài)
圖8 SW3的STP狀態(tài)
從圖6、圖7、圖8可以看出，三個交換機(jī)中，SW1是根橋，交換機(jī)SW2的G0/0/24為根端口，交換機(jī)SW3的G0/0/22為根端口。
所有的交換機(jī)默認(rèn)的橋優(yōu)先級為32768，最小背板MAC的交換機(jī)SW1成為了網(wǎng)絡(luò)的根橋，顯然帶有不可控性，在實際的網(wǎng)絡(luò)部署中，需手工指定一臺設(shè)備成為ROOT，從而保證生成樹計算的穩(wěn)定性。
為了保證生成樹的穩(wěn)定性，需手工指定SW1成為交換網(wǎng)絡(luò)的主根橋，SW2成為本交換網(wǎng)絡(luò)的次根橋，檢測到SW1出現(xiàn)故障后，SW2替代它成為網(wǎng)絡(luò)的根橋。
SW1上增加的配置如下：
[SW1] stp root primary
SW2上增加的配置如下：
[SW2] stp root secondary
3、測試與驗證
完成上述配置后，查看交換機(jī)SW1的STP配置如圖9所示：
圖9 查看SW1的STP狀態(tài)
從輸出的信息我們得知，本交換機(jī)的橋ID為 0：4c1f-cc3e-522e，其中0為交換機(jī)的橋優(yōu)先級，最小值也是最優(yōu)的值。4c1f-cc3e-522e是本機(jī)的背板MAC地址。而上述輸出的信息中，ROOT的MAC也是4c1f-cc3e-522e，表明本交換機(jī)就是網(wǎng)絡(luò)的根橋，請大家自己查詢SW2和SW3的STP狀態(tài)信息。
接下來查閱SW1、SW2和SW3的端口狀態(tài)（display stp brief），如圖10所示。
圖10 交換機(jī)配置STP后端口狀態(tài)
從圖10可以看出，交換機(jī)SW1的兩個端口都為指定端口，SW2的G0/0/23為指定端口，G0/0/24為根端口，SW3的G0/0/22為根端口，G0/0/23為阻塞端口，這是因為這個接口到達(dá)根橋SW1的開銷最大。
怎么看接口的開銷呢？命令如下。
[SW3]display stp interface GigabitEthernet 0/0/23
圖11 查看交換機(jī)的接口開銷
如果希望被阻塞的不是SW3的GE0/0/23口，而是SW2的GE0/0/23口呢？可將GE0/0/22 的接口COST調(diào)大，使得這個接口距離根橋SW1的開銷更大。因此可在SW3增加配置如下：
[SW3] interface GigabitEthernet 0/0/22
[SW3-GigabitEthernet0/0/22] stp cost 300
查詢SW1、SW2和SW3的端口狀態(tài)（display stp brief），如圖12所示。
現(xiàn)在假如SW1和SW3之間的鏈路斷開，如圖13所示，我們再來看下交換機(jī)的端口狀態(tài)。
[SW3-GigabitEthernet0/0/23]int g0/0/22
[SW3-GigabitEthernet0/0/22]shutdown
圖13 環(huán)路中一條鏈路斷開
查閱SW1、SW2和SW3的端口狀態(tài)（display stp brief），如圖14所示。
圖14 交換機(jī)配置STP后端口狀態(tài)
從圖14可以看出，G0/0/23端口由阻塞端口轉(zhuǎn)為根端口，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
■ 任務(wù)總結(jié)
在任務(wù)實施當(dāng)中，啟動STP協(xié)議后，需要人為判斷和指定哪個交換機(jī)為根橋，并要驗證STP是否生效，檢驗交換機(jī)的指定端口、阻塞端口是否正常。
■ 任務(wù)拓展
完成如圖15所示的STP配置，4臺交換機(jī)組成的拓?fù)淙鐖D15所示。
要求：
（1）開啟生成樹協(xié)議STP，觀察相關(guān)現(xiàn)象；
（2）配置STP，使得SW4為STP橋根；
（3）在交換機(jī)上查看STP配置狀態(tài)。
圖15 交換機(jī)STP配置拓?fù)鋱D
無論是弱電網(wǎng)絡(luò)工程師還是網(wǎng)絡(luò)工程師，在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的時候，都感覺STP很難理解，是一道漫不過的坎。今天通過本文，大家按照步驟仔細(xì)閱讀，相信大家就可以理解STP生成樹協(xié)議了。
STP英文全稱是Spanning tree protocol，中文解析為生成樹協(xié)議。生成樹協(xié)議可以簡單理解為生成樹協(xié)議根據(jù)相關(guān)參數(shù)從樹根開始，通過阻塞某些端口，往下生成一棵無環(huán)路的拓樸樹。
如下圖所示：
因為有阻塞端口的鏈路不可用，所以根據(jù)上圖可以畫出一棵無環(huán)路的拓?fù)錁淙缦聢D所示：
大家看完上面拓?fù)浜螅赡軙蓡枺裁词菢涓浚?strong>SW1為什么會成為樹根？、樹根的作用是什么？、哪些端口會被阻塞？、哪些端口不會被阻塞？、端口角色是什么？等等一系列問題。接下來我們就開始詳細(xì)學(xué)習(xí)STP生成樹的各個概念吧。
根橋：root bridge，也就是上圖所說的“樹根”。在一個STP網(wǎng)絡(luò)中，根橋只有一個，它是整個網(wǎng)絡(luò)的邏輯中心。網(wǎng)絡(luò)收斂后，根橋會按照一定的時間間隔產(chǎn)生并向外發(fā)送配置BPDU，其他設(shè)備僅對該報文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，傳達(dá)拓?fù)渥兓涗洠瑥亩ＷC拓?fù)涞姆€(wěn)定。
第一步：選舉根交換機(jī)
根橋的選舉規(guī)則是：交換機(jī)啟動時會相互發(fā)送配置BPDU，BPDU中包含bridge id（橋ID）字段，橋ID最小的將會成為全網(wǎng)的根橋。
BPDU報文格式
IEEE 802.1D標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定橋ID是由2字節(jié)的交換機(jī)優(yōu)先級（Bridge Priority）與6字節(jié)的交換機(jī)MAC地址構(gòu)成，即BID（8字節(jié)）=交換機(jī)優(yōu)先級（2字節(jié)） + 交換機(jī)MAC（6字節(jié)）。默認(rèn)交換機(jī)優(yōu)先級均為32768；交換機(jī)mac由24位固定廠商代碼（華為的廠家是4c:1f:cc）+24位自定義數(shù)字組成。
抓包顯示，交換機(jī)-2每隔2s會定期發(fā)送從啟動端口GE0/0/1發(fā)送配置BPDU（橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。BPDU中包含橋ID，交換機(jī)通過對比橋ID的大小來選舉根交換機(jī)。
BPDU中包含的橋ID字段
接著我們把交換機(jī)-3（橋ID是32768+4c1f-cc1a-36d9）也接到hub上,驗證一下根橋的選舉規(guī)則（交換機(jī)-3的橋ID比交換機(jī)-2的橋ID小，比較規(guī)則是：先比較根橋優(yōu)先級，再比較mac地址），驗證命令是：display stp，結(jié)果如下圖所示：
從上圖可以看到，經(jīng)過比較，交換機(jī)-3成了交換機(jī)-2和交換機(jī)-3組成的網(wǎng)絡(luò)的根橋。
第二步：選舉根端口。
1.根橋選出來后，才會選擇根端口。根端口指的是非根交換機(jī)到達(dá)根交換機(jī)的根路徑開銷最小的端口。根路徑開銷指的是，交換機(jī)某端口到根橋累計的路徑開銷就是所經(jīng)過的各個橋上的各端口的路徑開銷累加而成，這個值叫做根路徑開銷（Root Path Cost）。如下圖所示：
SW4的2端口的路徑開銷=SW4的2端口的路徑開銷（10）+SW2的1端口的路徑開銷（10）=20。
SW4的1端口的路徑開銷=SW4的1端口的路徑開銷（100）+SW3的2端口的路徑開銷（100）。
兩者對比，SW4的根路徑開銷為20，根端口為2端口（因為該端口到根交換機(jī)的路徑開銷最小）。
2. 如果SW4的2端口和1端口到達(dá)根橋（SW1）的路徑開銷都一樣，SW4根據(jù)從2端口和1端口接收到的配置BPDU中的發(fā)送者橋ID來選舉根橋。端口接收到的BPDU中，發(fā)送者橋ID小的，該端口將會成為根端口
第三步：選舉指定端口
根交換機(jī)上的每個端口都是指定端口。每個交換機(jī)之間的鏈路都需要選出一個指定端口，指定端口抑制其它（交換機(jī)自身的端口或者其它交換機(jī)上的端口）端口發(fā)送配置BPDU。
如上圖所示，全網(wǎng)根據(jù)第一、二步選舉出了根橋以及跟端口。那么接下來如何選舉指定端口呢？
SW1-SW2之間選擇指定端口,因為SW1為根橋，根橋上的所有端口都是指定端口，該段鏈路上，SW1的1端口為該網(wǎng)段的指定端口；SW2和SW4之間，因為SW4的2端口為RP端口，所以，該鏈路上，SW2的2端口為指定端口（為什么呢？因為指定端口會向下轉(zhuǎn)發(fā)配置BPDU,根端口只接收配置BPDU）；SW1和SW3之間，因為SW1為根橋，SW1上的所有端口都是指定端口，該鏈路上指定端口為SW1的2號端口。
最后，SW4和SW3之間的鏈路上需要選出指定端口，選舉的規(guī)則是：1.比較根橋ID，越小越優(yōu)先、2.比較根路徑開銷，越小越優(yōu)先、3.比較發(fā)送者橋ID，越小越優(yōu)先。因為全網(wǎng)根橋ID一致，SW4的1號端口到達(dá)根橋的路徑開銷是（10+10=20），SW3的1號端口到達(dá)根橋的路徑開銷為（100）,所以SW4的1號端口成為該鏈路的指定端口，SW3的1號端口為AP阻塞端口（該端口不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)）。
如下圖所示：
看完本文，如果你對STP還不了解的，請評論區(qū)下方評論。歡迎轉(zhuǎn)發(fā)收藏關(guān)注。