一、STP

1 基本概念

STP（Spanning Tree Protocol）即IEEE 802.1D，其作用主要有三个，第一是eliminate logical loops消除逻辑环，第二自动选取最有效的网络路径，第三是当某条链路失效时，自动切换到备份链路，实现所谓的failover功能。STP协议有很多种类，可分为STP(802.1D)、RSTP(802.1W)、MSTP(802.1S)、PVST/PVST+ PVRST/PVRST+。STP的基本原理是通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文，网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，简称 BPDU），来确定网络的拓扑结构。

1.1 STP基本术语

• 根桥（ROOT）：在一个交换网络中，有且只能有一个根桥（根交换机），STP的主要作用就是在一个交换网络中计算出一棵无环的STP树。
• 非根桥：只要不是根桥，就是非根桥（非根交换机）。
• 桥ID（Bridge ID）：BID由优先级+MAC地址组成。
• 端口ID（Port ID）：PID由优先级+端口号组成。
• 根路径开销（Root Path Cost）：RPC 路径成本的计算和链路的带宽相关联；根路径成本就是到根网桥的路径中所有链路的路径成本的累计和；
• BPDU（Bridge Protocol Data Unit）：桥协议数据单元，用于网桥之间传递BPDU来交互协议信息。BPDU分为 配置BPDU 和 TCN BPDU。配置BPDU用来进行生成树的计算和维护生成树拓扑的报文。TCN BPDU是当拓扑结构改变时候，用来通知相关桥设备网络拓扑结构发生变化的报文。

1.2 端口角色

• 根端口（Root Port）：每一个非根交换机都需要选举一个RP（基于设备选举），用于接收根桥发出的BPDU。
• 指定端口（Designated Port）：每条链路都会选举一个DP，在一条链路中，离ROOT根桥交换机最近的就是DP（基于链路选举）。
• 候补端口（Alernate Port）：为根端口（RP）的备份端口，最终宿命为阻塞。

1.3 STP端口状态

• Disable :不接收也不转发帧,不学习MAC地址,不参与生成树计算(端口没连线，或者端口shutdown)
• Blocking:不接收也不转发帧,接收但不发送BPDU ,不学习MAC地址(AP/BP) ，直接丢弃对端发过来的数据帧。
• Listening:不接收也不转发帧,接收并且发送BPDU ,不学习MAC地址(RP/DP) 过渡状态
• Learning:不接收也不转发帧,接收并且发送BPDU ,学习MAC地址(RP/DP) 过渡状态
• Forwarding:接收并转发帧,接收且发送BPDU,学习MAC地址       最终状态
  

1.4 STP端口变化过程

1.首先链路up。
2.初始为blocking状态,在迁移到Listening状态时决定谁是RP和DP。
3.Listening状态需要等15秒进入到Learning状态(确定端口角色)。
4.Learning状态再等15秒进到Forwarding(学习MAC表项)。
5.最终达到Forwarding状态，STP完成收敛。
也就是说当使用标准生成树时，现网当中启用新端口，会存在30S的监听+学习时间，这30S时间中，端口是不转发任何数据的。

2 选举规则

2.1 选举简介

1.首先选举根桥ROOT。
2.每个非根交换机选举根端口RP。
3.每条链路选举出一个指定端口DP。
4.剩余端口为AP端口（阻塞）。

2.2 选举步骤

2.2.1 根桥的选举（ROOT）

1.首先选举root(根桥)，通过BID进行选举，BID由优先级与桥MAC组成。2字节桥优先级,6字节MAC地址(6*8=48bit) 。

• 比较优先级
• 默认优先级32768相同的情况 下,比较桥MAC的地址，都是越小越优。
  

2.2.2 根端口选举（RP）

Root根桥选后之后进行 Root Port根端口选举。每个非根交换机都要选择一个根端口，用来接收ROOT根桥的BPDU。
选举规则：
1.RPC根路径开销（跟链路带宽有直接关系）。（越小越优）
2.比较发送者的桥ID（BID，由优先级与桥MAC组成）。（越小越优）
3.比较发送者的端口ID（PID，由优先级与端口号组成）。（越小越优）
4.比较接受者的端口ID（PID，由优先级与端口号组成）。（越小越优）

举例：
1.下图可以看出，SW4需要选举RP端口，但是去往根桥无论是通过SW2还是SW3，路径开销都是一致的，只能比较发送者BID，最终SW2这条链路更优秀，SW4的E0/0选举为RP。

2.SW5需要选举RP，可以看出RPC和BID都是一致的，通过发送者PID进行选举，很明显SW3 E0/3这条链路更优，SW5 E0/1端口被选举为RP端口。

3.SW6需要选举RP，在链路上的这个HUB2可以看做是将一根线劈成两半，RPC和BID是一致的，发送者PID是E1/1，只能通过接收者PID进行选举，SW6 E0/0选举为RP。

2.2.3 选举指定端口DP

在STP中，选完RP端口后下一步选举 指定端口DP。每条链路都会选举一个DP，一条链路中，离ROOT根桥交换机最近的就是DP。
选举规则：
1.RPC根路径开销（跟链路带宽有直接关系）。（越小越优）
2.发送者的桥 ID（BID，由优先级与桥MAC组成）。（越小越优）
3.发送者的端口ID（PID，由优先级与端口号组成）。（越小越优）

2.2.4 选举替代端口AP

最后是选择AP端口，AP端口是RP端口备份。端口被选举为AP后，端口将会被阻塞，从而达到破环的目的，在这个过程中，端口只会监听BPDU，不会中继BPDU，更不会转发业务流量。
选举规则：
如果一个端口在一条链路上收到另外一个网桥的更好的 BPDU，但不是最好的，那么这个端口成为替换端口。

3 BPDU数据包分析

BPDU报文共有两种类型：配置BPDU与TCN BPDU。一般情况下，配置BPDU是根桥发送给各个桥的报文；而TCN BPDU是当网络拓扑中的桥发现网络拓扑发生变化时，向根桥发送的报文。

3.1 配置BPDU

字段	描述
Protocol Identifier(协议ID)	生成树协议ID，总是为0
protocol version Identifier（协议版本号）	用于描述当前使用的协议版本号：STP（802.1D）传统生成树,值为0;RSTP（802.1W）快速生成树,值为2；MSTP（802.1S）多生成树,值为3;
BPDU Type（BPDU类型）	用于描述当前BPDU消息类型：配置BPDU类型0x00，用于建立、维护STP拓扑；TCN BPDU类型0x80，传达拓扑变更消息；RSTP/MSTP类型0x02；
BPDU Flags（BPDU标志位）	由8位组成，只使用最高位和最低位，其余6位保留。最低位=TC（Topology Change，拓扑变化）标志，最高位=TCA（Topology Change Acknowledgement，拓扑变化确认）标志
Root Identifier（根ID）	用于描述当前的根桥ID，由2字节的桥优先级+6字节的MAC地址组成。
Root Path Cost（根路径开销）	用于描述发送该BPDU报文的端口累计到根桥的开销
Bridge Identifier（桥ID）	用于描述发送该BPDU的桥ID，由2字节的桥优先级+6字节的MAC地址组成。
Port Identifier（端口ID）	由优先级+端口号组成。指示发送该BPDU报文的端口ID，即“发送端口ID”。
Message Age（消息生存时间）	指示该BPDU报文的生存时间，即端口保存BPDU的最长时间，过期后将删除，要在这个时间内转发才有效，如果配置BPDU是直接来自根桥的，则Message Age为0，如果是其他桥转发的，则配置BPDU报文经过一个桥，Message Age增加1
MAX age（最大生存时间）	指示BPDU消息的最大生存时间，也即老化时间
Hello Time（Hello消息定时器）	指示发送两个相邻BPDU的时间间隔，根桥通过不断发送STP维持自己的地位，Hello time 是发送的间隔时间
Forward Delay（转发延时）	最大延迟时间，默认15s，端口从listening -> learning 或 learning -> forwarding 的转态需要时间。

3.2 TCN BPDU

TCN示例：
1.当拓扑发生变化时，交换机首先会发送一个TCN BPDU来通告根桥。

2.根桥会首先回复一个TCA，表明我已经收到了你发送的TCN通告。

3.ROOT根桥向全网泛洪TC=1的配置BPDU，持续35秒（20+15 maxage+forwarddelay）

4.交换机在收到TC=1的这35S内,所有的交换机的老化时间保持为15秒,直到收到tc=0的配置BPDU后,重新将mac老化时间修改为300。

4 STP的一些重要特性

4.1 Portfast

PortFast是为了让接入的非交换机设备快速进入转发（Forwarding）状态。假如一台Server接入到了交换机，与交换机连接的是Server的网卡，这个接入是不会改变交换机的STP拓扑的。但默认情况下，接入Server或Server有重启等操作后，端口都要再次经历Blocking–Listening–Learning–Forwarding这个过程，这对于网卡设备是没有必要的，所以Cisco交换机可以开始PortFast功能，跳过Listening和Learning，直接进入Forwarding状态，这可以使服务器网络快速上线。 开启了PortFast的端口，如果检测到接入的是一台Switch，就会按正常的顺序走Listening–Learning–Forwarding的过程，如果检测到是非交换机，就会让端口快速进入Forwarding状态。

4.2 Uplinkfast

如下图，当S3的RP端口失效时，E0/1接口将从AP-RP，状态需要经历listening-learning，最少30秒才能进入到转发状态，当开启uplinkfast后，立即切换成Forwarding状态，跳过延时。

4.3 BackboneFast

1. 如下图，如果SW2 E0/0这条链路失效，SW2会认为自己为ROOT，他会向SW3发送BPDU。SW3收到这个次优BPDU后，会选择忽略，等待max age（20S）后，SW3 E0/1 从AP-DP（15S+15S）端口，给SW2发送一个更优的BPDU，SW2知道自己不是ROOT后，停止发送BPDU，SW3 E0/1变为DP，共耗时max age+listening+learning （20S+15S+15S=50S）。
2. 当开启backbonefast后，SW2给SW3发送次优BPDU，SW3会从自己的RP端口发送RLQ（ROOT link query），如果收到SW1发来的响应，确认根桥还在，会把SW3的E0/1接口直接从blocking-listening状态。启用backbonefast会减少20S的max age时间，不需要去硬等老化时间，会主动去找ROOT进行确认。
3. 如果配合Uplinkfast，端口状态可以秒级切换。

4.4 BPDUGuard

1. 该接口在收到BPDU报文后，会立即切换到err-disable状态
2. 常搭配portfast特性一起使用，用于连接主机
   由于配置了portfast特性,接口可以可以快速进入到fwd状态。但是由于人员误操作接交换机而可能产生了环路风险。带网管的交换机会发送bpdu,当交换机收到bpdu后，马上意识到连接的不是PC，而是交换机.可能出现环路风险，直接将端口shutdown,进入err-disable,这种down与administratively管理down并不相同,这种是err-down,需要手工shutdown,no shutdown才可打开该接口

4.5 Root Guard

Root Guard可以使STP免受Bridge Priority小的新接入的Switch抢了现有根桥的位置，也就是防止更优的BPDU抢占ROOT。开启后，当有一个新接入的交换机的Bridge Priority比现有根桥小时，这个端口会被置于Root Inconsistent状态，它会被Block掉而不会转发和接收任何数据。

5 标准STP的缺陷

5.1 收敛时间长

在默认情况下，STP的收敛时间为30S（Listening+learning各15S），在某些场景下，收敛时间更是长达50S（例如根桥故障，不向外发送BPDU，交换机需要先等待20S的老化时间，再加上30S的Listening+learning），在这个时间段内，会导致网络长时间的中断。

5.2 拓扑变化时收敛机制不灵活

想象一种场景，当企业上下班时间，每个员工将自己的PC进行开关机的操作，现网当中就会出现大量的TCN BPDU，影响设备的性能，而这种PC机器其实不需要参加到生成树计算当中。

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二、RSTP

1 基本概念

Rapid Spanning Tree Protocol（RSTP），快速生成树协议，是传统Spanning Tree Protocol的升级版本，由802.1D进化为802.1W。传统STP的收敛时间（Convergence Time）太慢，当有拓扑发生变化，整个网络需要30秒或更多时间才能恢复到稳定状态，这是许多业务场景上无法接受的，RSTP的出现就是为了缩短收敛时间（Convergence Time），以适应更严苛的使用环境的需求。

1.1 基本术语

• 端口角色：根端口RP、指定端口DP、替代端口AP（Alternate port）、备份端口BP（backup port）
• 端口状态：转发（Forwarding）、丢弃（discarding）、学习（learning）
• RSTP BPDU flags标志位与STP有所不同
• 边缘端口（edge port）:边缘端口会节省30S的延时，端口UP后会立即进入转发状态，且端口的UP/DOWN不会触发拓扑变更，他不参与生成树的计算，主要是连接PC机器。它本身会有很多保护机制防环，例如边缘端口如果收到BPDU报文会马上变为一个普通端口，加入到生成树的计算中。
  

1.2 端口角色

相比STP来说，RSTP只有根端口、替代端口、备份端口。

1. 根端口：在一个交换网络中，有且只能有一个根桥（根交换机），主要作用就是在一个交换网络中计算出一棵无环的STP树。
2. 替代端口：Alternate port（AP）为RP的备份端口。如果一个端口在一条链路上收到另外一个网桥的更好的 BPDU，但不是最好的，那么这个端口成为替换端口。
3. 备份端口：backup port（BP）为DP的备份端口。由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

备注：在一些资料中，也有把edge port边缘端口当做一类端口角色，但我个人认为这只是RSTP的一种特性，因为从交换机的角色role里面，没有一种角色叫做边缘端口角色，个人认为只能称之为RSTP的一种特性或者叫状态。

1.3 端口状态

相比stp来说，RSTP只有转发（Forwarding）、丢弃（discarding）、学习（learning）。

端口状态	说明
Forwarding（转发）	在这种状态下，端口既转发用户流量又处理BPDU报文。
Learning（学习）	这是一种过渡状态。在Learning下，交换设备会根据收到的用户流量，构建MAC地址表，但不转发用户流量，所以叫做学习状态。Learning状态的端口处理BPDU报文，不转发用户流量。
Discarding(丢弃)	Discarding状态的端口只接收BPDU报文。

2 RSTP报文

2.1 与STP对比

RSTP相比STP来说，STP有两种类型的报文格式：配置BPDU和TCN BPDU。而RSTP只有RST BPDU一种，与STP的格式基本一致，最大的变化在于BPDU flags字段做出改变，在STP的FLAG标记中只用了TCA和TC，而RSTP中原先空余的6位全部有了新的定义。

以下为STP报文：

以下为RSTP报文：

2.2 BPDU Flags

字段	作用
TCA	保留但无用，因为在RSTP中并没有TCN BPDU，取值永远为0
Agreement	PA机制中的同意位
Forwarding	Forwarding标志位，表示端口处Forwarding状态
Learning	Learning标志位，表示端口处于Learning状态
Port role	角色位2bit组成 ,有四种组合。00 ：未定义；01：AP/BP 替代端口/备份端口；10：RP根端口；11：DP指定端口
Proposal	PA机制中的提议位
TC	RSTP中的拓扑改变通知

3 RSTP核心内容—P/A机制

3.1 传统STP缺乏反馈机制所面临的问题

1. 现网当中新增链路Link1，在SWA和ROOT之间。
2. A及ROOT在Link1链路两端的接口都将进入listening状态，A在收到ROOT发来的BPDU后，计算出自己的端口角色，A的link1接口为RP。
3. A将中继ROOT发过来的BPDU，从自己的两个DP端口发送给B和C，C继续发送给D。
4. 当D收到从C发来的BPDU后，明显ROOT发来的BPDU比C发过来的优先级更优，所以P1端口角色为AP，进行阻塞。
5. 当A的端口角色确定后，他有一个30S的收敛时间（listening+learning），30S后才能进入转发状态，而如果此时B和C需要往外发送数据是不行的，因为此时A正在收敛，而如果从D走的话，P1端口又是阻塞的，此时ABC通讯会出现问题。
6. STP缺陷就在此，缺少反馈机制，必须硬等30S的收敛时间。

3.2 P/A机制

P/A机制正是解决STP中缺少反馈的这个问题而出现的，P/A协商可以让交换机的RP和DP的互联接口快速进入转发状态。
端口角色：
P0=指定端口；
P1=根端口；
P2=替代端口；
P3=指定端口；
P4=边缘端口；

1. 首先ROOT 的DP在处于Discarding和Learning状态时，会发送P=1的报文。
2. A在收到一个最优BPDU后，他知道自己p1端口是一个RP，A会启动sync同步，临时阻塞DP端口。
   ——P2是AP端口，已经阻塞的端口状态保持不变
   ——P4是边缘端口不参与生成树运算
   ——P3是唯一可能会发生环路的接口，DP端口，临时阻塞DP
3. 在完成SYNC同步后，A发送一个 agreement置位的消息。
4. ROOT在收到agreement置位的消息后，状态立即转变为Forwarding。此时A的P3仍然为阻塞状态，继续往下PA扩散,直到网络的末梢,PA到AP端口，无法响应P=1后，不再需要PA为止。
   
   

3.3 P/A机制的前提

1.什么场景发送Proposal置位的RST BPDU?
处在Discarding或者Learning的DP口就会发送p=1的rst bpdu
2.什么场景响应Proposal置位的RST BPDU?谁响应谁？
只有RP端口角色才会响应P=1的RST BPDU
3.什么是SYNC同步
SYNC同步的作用就是把DP的Forwarding状态临时性的变为Discarding.先临时性的避免出现环路。AP端口本来堵塞，EP端口不参与生成树计算接是终端也不会出环，只有DP Forwarding端口转发才可能出环。.

3.4 P/A机制报文分析

拓扑:

1.两台交换机加电以后，开始交互BPDU，SW2收到更优的BPDU后，会马上停止发送BPDU。
2.SW1的e0/0端口进入Discarding状态，发送RST BPDU中把Proposal置1.

3.SW2 在收到proposal置位的BPDU时，开始将自己的所有端口进行SYNC同步。
4.在所有端口都进入Discarding状态之后，SW2向SW1发送agreement置位的BPDU。

5.SW1在收到回应以后，端口立马从Discarding转变为Forwarding状态。

三、MSTP

1 基本概念

1. Multiple Spanning Tree protocol (MSTP)多重生成树协议，是由802.1w的快速生成树（RSTP）扩展而来。
2. RSTP虽然解决了收敛速度的问题，但是也是per vlan的spanning tree，意思是说他是基于每个VLAN一棵树，当VLAN数目非常多的时候，将面临庞大的管理问题，其次是对于交换机的硬件资源也是一个巨大的挑战。
3. MSTP使用instance的方式将VLAN进行分组，同一组的instance的vlan共用一棵树，将多个VLAN放在一个instance进行统一管理。
4. 在RSTP中没有区域的概念，MSTP将整个网络进行划分到不同的区域（region），region有自己独立的拓扑，region之间互不干涉，每个region类似于一个个国家。每个region被看做是一个虚拟的switch，每个虚拟交换机会进行一个spanning tree的运算，这个就是CIST（Common and Internal Spanning Tree），CIST不会影响每个region内部的生成树。

2 配置MSTP的参数

MSTP有三个参数，当三要素相同时，才认为是同一个域：

• configuration Name(域名)：同一个Region的交换机使用相同的Configuration Name
• Revision Number（修订版本）：可进行自定义，默认为0
• Instance（实例）：实例与VLAN的对应关系

3 MSTP报文

• 协议类型标识符（protocol Version Identifier）：0为STP，2为RSTP，3为MSTP
  
• 前35个字节BPDU 和 RST BPDU相同，从36个字节开始为MSTP专有字段。
• MST配置标识，表示MST域的标签信息，包含4个字段：Configuration Identifier Format Selector：固定为0。Configuration Name：“域名”，32字节长字符串。Revision Level：2字节非负整数。Configuration Digest：利用HMAC-MD5算法将域中VLAN和实例的映射关系加密成16字节的摘要。只有MST Configuration Identifier中的四个字段完全相同的，并且互联的交换机，才属于同一个域。