「乾貨」STP收斂慢咋整？快速生成樹協議瞭解一下~

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基本原理

STP協議由IEEE802。1D定義，RSTP由IEEE802。1W定義。

STP的基本原理是，透過交換機之間傳遞一種特殊的協議報文（在IEEE 802。1D中這種協議報文被稱為“配置訊息”）來確定網路的拓撲結構。配置訊息中包含了足夠的資訊來保證交換機完成生成樹計算。

Rstp是從stp發展過來的，其實現基本思想一致，但它更進一步的處理了網路臨時失去連通性的問題。

技術原理

Rstp規定在某些情況下，處於Blocking狀態的埠不必經歷2倍的Forward Delay時延而可以直接進入轉發狀態。如網路邊緣埠（即直接與終端相連的埠），可以直接進入轉發狀態，不需要任何時延。或者是網橋舊的根埠已經進入Blocking狀態，並且新的根埠所連線的對端網橋的指定埠仍處於Forwarding狀態，那麼新的根埠可以立即進入Forwarding狀態。

即使是非邊緣的指定埠，也可以透過與相連的網橋進行一次握手，等待對端網橋的贊同報文而快速進入Forwarding狀態。當然，這有可能導致進一步的握手，但握手次數會受到網路直徑的限制。

功能介紹

生成樹協議最主要的應用是為了避免區域網中的網路環回，解決成環乙太網網路的“廣播風暴”問題，從某種意義上說是一種網路保護技術，可以消除由於失誤或者意外帶來的迴圈連線。

STP也提供了為網路提供備份連線的可能，可與SDH保護配合構成以太環網的雙重保護。新型以太單板支援符合ITU-T 802。1d標準的生成樹協議STP及802。1w規定的快速生成樹協議RSTP，收斂速度可達到1s。

埠狀態

802.1d

交換機的埠在STP環境中共有5種狀態：阻塞blocking、監聽listening、學習learning、轉發forwarding、關閉（disable）。

*Blocking：

處於這個狀態的埠不能夠參與轉發資料報文，但是可以接收配置訊息，並交給CPU進行處理。不過不能傳送配置訊息，也不進行地址學習。

*Listening：

處於這個狀態的埠也不參與資料轉發，不進行地址學習；但是可以接收併發送配置訊息。

*Learning：

處於這個狀態的埠同樣不能轉發資料，但是開始地址學習，並可以接收、處理和傳送配置訊息。

*Forwarding：

一旦埠進入該狀態，就可以轉發任何資料了，同時也進行地址學習和配置訊息的接收、處理和傳送。

交換機上一個原來被阻塞掉的埠由於在最大老化時間內沒有收到BPDU，從阻塞狀態轉變為傾聽狀態，傾聽狀態經過一個轉發延遲（15秒）到達學習狀態，經過一個轉發延遲時間的MAC地址學習過程後進入轉發狀態。

如果到達傾聽狀態後發現本埠在新的生成樹中不應該由此埠轉發資料則直接回到阻塞狀態。

當拓撲發生變化，新的配置訊息要經過一定的時延才能傳播到整個網路，這個時延稱為轉發延遲（Forward Delay），協議預設值是15秒。

在所有網橋收到這個變化的訊息之前，若舊拓撲結構中處於轉發的埠還沒有發現自己應該在新的拓撲中停止轉發，則可能存在臨時環路。

為了解決臨時環路的問題，生成樹使用了一種定時器策略，即在埠從阻塞狀態到轉發狀態中間加上一個只學習MAC地址但不參與轉發的中間狀態，兩次狀態切換的時間長度都是Forward Delay，這樣就可以保證在拓撲變化的時候不會產生臨時環路。

802.1w

STP定義了5種不同的埠狀態，關閉（disable），監聽（Listening），學習（Learning），阻斷（Blocking）和轉發（Forwarding），其埠狀態表現為在網路拓撲中埠狀態混合（阻斷或轉發），在拓撲中的角色（根埠、指定埠等等）。

在操作上看，阻斷狀態和監聽狀態沒有區別，都是丟棄資料幀而且不學習MAC地址，在轉發狀態下，無法知道該埠是根埠還是指定埠。

在RSTP中只有三種埠狀態，Discarding、Learning和Forwarding。802。1D中的禁止埠，監聽埠，阻塞埠在802。1W中統一合併為禁止埠。

RSTP根據埠在活動拓撲中的作用，定義了5種埠角色（STP只有3種角色）：禁用埠（Disabled Port）、根埠（Root Port）、指定埠（Designated Port）、為支援RSTP的快速特性規定的替代埠（Alternate Port）和備份埠（Backup Port）。

STP和RSTP埠狀態比較

RSTP有五種埠型別。根埠和指定埠這兩個角色在RSTP中被保留，阻斷埠分成備份和替換埠角色。生成樹演算法（STA）使用BPDU來決定埠的角色，埠型別也是透過比較埠中儲存的BPDU來確定哪個比其他的更優先。

1）根埠

非根橋收到最優的BPDU配置資訊的埠為根埠，即到根橋開銷最小的埠，這點和STP一樣。請注意圖上方的交換機，根橋沒有根埠。

按照STP的選擇根埠的原則，SW-1和SW-2和根連線的埠為根埠。

RSTP根埠

2）指定埠

與STP一樣，每個乙太網網段段內必須有一個指定埠。假設SW-1的BID比SW-2 優先，而且SW-1的P1口埠ID比P2優先順序高，那麼P1為指定埠，如圖所示。

指定埠的選擇

3）替換埠

如果一個埠收到另外一個網橋的更好的 BPDU，但不是最好的，那麼這個埠成為替換埠，如圖所示。

對於SW-2來說，埠P3收到的BPDU比自己優先，自己為次優先，P3為替換埠。

替換埠的選擇

4）備份埠

如果一個埠收到同一個網橋的更好 BPDU，那麼這個埠成為備份端。當兩個埠被一個點到點鏈路的一個環路連在一起時，或者當一個交換機有兩個或多個到共享區域網段的連線時，一個備份端口才能存在。

如圖所示，SW-1的P1和P2口同時接入到乙太網的同一網段，P1為指定埠，P2 優先順序低，則P2埠為備份埠。

備份埠的選擇

5）禁用埠

在快速生成樹協議應用的網路執行中不擔當任何角色。

配置

步驟1：進入全域性模式

Switch#configure terminal

步驟2：開啟生成樹協議

Switch（config）#spanning-tree

預設狀態下STP協議是關閉的，需要用命令開啟

步驟3：配置生成樹模式

Switch（config）#spanning-tree mode { mstp | rstp | stp }

P/A機制編輯

P/A機制即Proposal/Agreement機制。其目的是使一個指定埠儘快進入Forwarding狀態。

其過程的完成根據以下幾個埠變數：

· Proposing

當一個指定埠處於Discarding或Learning狀態的時候，該變數置位。並向下遊交換傳遞Proposal位被置位的BPDU。

· Proposed

當下遊交裝置埠收到對端的指定埠發來的攜帶Proposal的BPDU的時候。該變數置位。該變數指示上游網段的指定埠希望進入Forwarding狀態。

· sync

當Proposed被設定以後，收到Proposal置位資訊的根埠會依次為自己的其他埠置位sync變數。如果埠是非邊緣的指定埠是則會進入Discarding狀態。

· synced

當其它埠完成轉到Discarding後，會設定自己的synced變數（Alternate、Backup和邊緣埠會馬上設定該變數）。根埠監視其他埠的synced，當所有其他埠的synced全被設定，根埠會設定自己的synced，然後傳回BPDU，其中Agreement位被置位。

· agreed

當指定埠接收到一個BPDU時，如果該BPDU中的Agreement位被置位且埠角色定義是“根埠”，該變數被設定。Agreed變數一旦被置位，指定埠馬上轉入Forwarding狀態。

改進

1、STP沒有明確區分埠狀態與埠角色，收斂時主要依賴於埠狀態的切換。RSTP比較明確的區分了埠狀態與埠角色，且其收斂時更多的是依賴於埠角色的切換。

2、STP埠狀態的切換必須被動的等待時間的超時。而RSTP埠狀態的切換卻是一種主動的協商。

3、STP中的非根網橋只能被動的中繼BPDU。而RSTP中的非根網橋對BPDU的中繼具有一定的主動性。