STP生成樹協議——算法和過程

1、STP算法
     IEEE802.1D標準定義了STP的生成樹算法。該算法依賴於BID、路徑開銷和端口ID參數來作出決定。
     一、BID（網橋ID）：
     BID是生成樹算法的第一個參數，BID決定了橋接網絡的中心，稱爲根網橋或根交換機。

BID參數是一個8字節域。前2個字節（10進制）稱爲「網橋優先級」，後6個字節（16進制）是交換機的一個MAC地址。

網橋優先級用來衡量一個網橋的優先度，範圍是0－65535，默認是32768。

思科交換機中的PVST+（每VLAN生成樹）生成樹協議使每一個VLAN都有一個STP實例。

比較兩個BID的大小的原則：一是網橋優先級小的BID優先，二是若是網橋優先級相同，BID中的後六個字節的MAC小的則BID優先。      二、路徑開銷：      路徑開銷是生成樹算法的第二個參數，決定到根網橋（根交換機）的路徑。      通俗說，路徑開銷是用來衡量網橋之間的距離的遠近的，其值是兩個網橋之間某條路徑上全部鏈路開銷的總和。      路徑開銷與跳數無關。      路徑開銷決定到根網橋或根交換機的最佳路徑，最小的路徑開銷是到根交換機的最佳路徑。      路徑開銷的值的規律：帶寬越大，STP開銷越小。      三、端口ID：端口ID是生成樹算法的第三個參數，也決定到根交換機的路徑。它由2個字節組成，包括「端口優先級」和「端口號」，各佔8位。      端口優先級值從0－255，默認128；端口號包括256個。      端口ID大小的斷定與BID大小的斷定相同。      2、STP的過程      一、STP判決和BPDU交換：      當建立一個邏輯無環的拓撲時，STP老是經過發送BPDU的第二層幀來傳遞生成樹協議，並執行相同的4步判決順序：      步驟1，肯定根交換機；      步驟2，計算到根交換機的最小路徑開銷；      步驟3，肯定最小的發送者BID；      步驟4，肯定最小的端口ID。      網橋爲每一個端口存儲一個其收到的最佳BPDU，當有其餘的BPDU到達交換機的端口時，交換機會使用四步判決過程來判斷此BPDU是否比該端口原來存儲的BPDU更好，若是新收到的BPDU（或者本地生成的BPDU）更好，則替換原有值。      當一個網橋第一次被激活時，其上全部端口每隔一個HELLO時間（默認2秒）發送一次BPDU；若是一個端口發現從其餘網橋收到的BPDU比本身發送的好，則本地端口就中止發送BPDU；若是在MAX AGE（最大生存時間，默認20秒）內沒有從鄰居網橋收到更好的BPDU，本地端口則從新開始發送BPDU，即最大生存時間是最佳BPDU的超時時間。      二、STP收斂的三個步驟：      生成樹算法收斂於一個無環拓撲的初始過程包含三個選舉步驟：      步驟1    選舉一個根交換機。      步驟2    選舉根端口。      步驟3    選舉指定端口。      在網絡第一次「初始」時，全部網橋都洪泛混合的BPDU信息，網橋經過執行STP四步判決過程，造成整個網絡或VLAN唯一的生成樹。在網絡穩定後，BPDU從根網橋流出，沿着無環支路到達網絡中的每個網段。網絡發生變化時，生成樹協議按照收斂三個步驟作出處理。      （1）選舉根交換機：      根交換機是一個具備最小BID的網橋，它是唯一的，是經過交換BPDU選舉得出來的。 BPDU的格式：BPDU是網橋之間用來交換生成樹信息的特殊幀，它在網橋之間傳播，包括交換機和全部配置來進行橋接的路由器，BPDU不攜帶終端用戶流量。 BPDU包括根BID、根路徑開銷、發送者BID和端口ID信息。      也就是說，交換機經過傳遞BPDU來發現誰是最小的BID，從而將具備最小BID的網橋作爲根交換機。最初時，交換機總將本身認爲是根網橋，當它發現有比本身小的BID時，就將收到的具備最小BID的交換機做爲根網橋。      （2）選舉根端口：      在根交換機選舉完後，就開始選舉根端口了。所謂根端口，就是按照路徑開銷最靠近根交換機的端口，也就是說具備最小根路徑開銷的端口。每個非根交換機都必須選舉一個根端口。      （3）選舉指定端口：      經過以上兩個步驟後，生成樹算法尚未消除任何環路，由於尚未選舉指定端口。所謂指定端口，就是鏈接在某個網段上的一個橋接端口，它經過該網段既向根交換機發送流量也從根交換機接收流量。橋接網絡中的每一個網段都必須有一個指定端口。      指定端口也是根據最小根路徑開銷來決定，所以根交換機上的每一個活動端口都是指定端口，由於它的每一個端口都具備最小根路徑開銷（實際是它的根路徑開銷是0）。      注意：指定端口只在中繼端口（TRUNK口）起做用。接入端口在指定端口選舉中不起任何做用。接入端口是用來鏈接到主機或者三層端口的。      三、STP狀態      在網橋已經肯定了根端口、指定端口和非指定端口後，STP就準備開始建立一個無環拓撲了。      爲建立一個無環的拓撲，STP配置根端口和指定端口轉發流量，非指定端口阻塞流量。      實際上，STP決定端口轉發和阻塞看似只有這兩個狀態，其實是有五種狀態的。      （1）、Disabled（爲了管理目的或者由於發生故障將端口關閉）；      （2）、Blocking（在初始啓用端口以後的狀態。端口不能接收或者傳輸數據，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU（bridge protocol da ta unit）。若是檢測到有一個橋接環，或者端口失去了它的根端口或者指定端口的狀態，那麼就會返回到Blocking狀態）；      （3）、Listening（若是一個端口能夠成爲一個根端口或者指定端口，那麼它就轉入監聽狀態。此時端口不能接收或者傳輸數據，也不能把MAC地址加入地址表，但能夠接收和發送BPDU）；      （4）、Learning（在Forward Delay計時時間到（默認15秒）後，端口進入學習狀態，此時端口不能傳輸數據，但能夠發送和接收BPDU，也能夠學習MAC地址，並加入地址表）；      （5）、Forwarding（在下一次轉發延時計時時間到後，端口進入轉發狀態，此時端口可以發送和接收數據、學習MAC地址、發送和接收BPDU）。      在這些狀態過程當中，會引起網絡拓撲結構發生改變。此時，發生變化的交換機會在它的根端口上每隔hello time時間就發送TCN BPDU，直到上級的指定網橋鄰居確認了該TCN（拓撲結構變化通知）爲止。當根網橋收到後，會發送設置了TC（topology change，拓撲改變）位的BPDU，通知整個生成樹拓撲結構發生了變化。這會讓全部的下級交換機把它們的Address Table Aging（地址表老化）計時器從默認值（300秒）降爲Fordwarding Delay（默認爲15秒），從而讓不活動的MAC地址比正常狀況下更快地從地址表更新掉