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looklook
交换笔记_第二天_STP
企业网络要求高可用性，它在很大的程度上依赖于处理业务的多层交换网络，其中确保高可用性的网络方法之一就是在整个网络中提供设备、模块和链路的冗余。但是冗余可能会带来新的问题——交换环路
STP(Spanning Tree Protocol) (IEEE 802.1D) 生成树协议
•在一个交换网络中有可能会出现单点失效的故障，所谓单点失效，指的是由于网络中某一台设备的故障，而影响整个网络的通信。为了避免单点失效，提高网络的可靠性，可以通过构建一个冗余拓扑来解决。但是，一个冗余的拓扑，又会给我们的网络造成环路，而产生其它的影响。为了解决二层环路问题，而设计了SPT协议。
•当2个Segment之间，只有一个物理设备连接时，就有可能“单点失效”。
•Segment段的概念)
1.STP：一段网络介质(网线/光纤)。
2.数据封装：携带4层报头的用户数据。
3.路由：一个逻辑子网。
•避免单点失效的方法就是构造冗余网络。
•但冗余网络会导致新的问题：
1.多帧复制
2.MAC地址表的翻动
3.广播风暴
•STP是为克服冗余网络中透明桥接的环路问题而创建的。
STP通过判断网络中存在环路的地方，并阻断冗余链路来实现无环网络。
•STP采用STA（Spanning Tree Arithmetic）算法。
STA会在冗余链路中选择一个参考点（生成树的根），将选择到达要的单条路径，同时阻断其他冗余路径。一旦已选路径失效，将启用其他路径。
BPDU（Bridge Protocol Data Unit)
•STP的各种选举是通过交换BPDU报文来实现的，BPDU是直接封装在以太网帧中的。
•对于参与STP的所有SW，它们都通过数据消息的交换来获取网络中其他SW的信息，这种消息就被称为BPDU。
•BPDU是直接封装在二层的协议，其MAC地址最后封装数为：00。（01:80:c2:00:00:00）
•BPDU的功能：
1.选举根桥
2.确定冗余路径的位置
3.通过阻塞特定端口来避免环路
4.通告网络的拓扑变更
5.监控生成树的状态
•BPDU每2S由根桥发送一次。
最初的网络，每个SW都认为自己是根桥，都会发送BPDU，比较Lowest BID，选举出一个根桥，当根桥选出来以后。此时就只有根桥发送BPDU。非根桥只进行转发。
BPDU分两种类型：
1、配置BPDU--通常由根网桥以周期性间隔发出，包括了STP参数，用于进行各种选举。
2、TCN（topology change notification 拓扑变更通告）BPDU--这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生。
•配置BPDU包含以下的字段
1、Protocol ID : 固定为0
2、Version : 802.1D (0)
3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
4、Flags
5、Root ID
6、Cost of Path
7、Bridge ID
8、Port ID
9、Message age
10、Max age
11、Hellotime
12、Forward delay
•TCN（Topology Change Notification) BPDU
这种BPDU是交换机检测到拓扑变更时产生的。只包含下列三个字段
1、Protocol ID
2、Version
3、Message Type : (Config BPDU=0x00 / TCN BPDU=0x80)
＜STP的4大工作流程＞（STP里选举参数都是越小越优）
• One root bridge per network
• One root port per nonroot bridge
• One designated port per segment
Nondesignated ports are blocked
• One root bridge per network（每个网络只有一个根桥）
•根桥的选举：Lowest BID （最小的BID）
•STP为每台SW分配唯一的一个标识符，称为BID（Bridge ID）。
BID的组成：2（Bridge Priority优先级）＋6（MAC）＝8 Bytes
默认Priority：32768（0x8000）
2950以上的交换机会在这个值上再加上VLAN号，因为CISCO默认启用PVST
每个交换机都有一个基准的MAC地址，用下面的命令可以看到
Sw2#show version
Base ethernet MAC Address: 00:0D:28:61:35:00
交换机的每一个端口都有一个MAC地址，就是以Base（基准） MAC地址加上端口号得到的。
Show interface f0/1 这一命令可以看到交换机端口的MAC地址
查看STP信息--
Sw2#show spanning-tree
Sw3# show spanning-tree brief(低版本用)2900以下的交换机用这一命令
• One root port per nonroot bridge（每个非根桥都要选出一个根端口）
•根端口（RP）：每个非根桥有且只有一个根端口
选举RP的方法：
1.Lowest RID(最小的RID)是SW1（根桥）的BID
2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
3.lowest sender BID (最小的发送BID)
4.Lowest sender port ID当两台交换机之间有两条线路直连时会用到这一项来选
•ath Cost:根桥发出的COST值是0，在下一交换机的入口处才加上COST值，出口处COST值不变。
10Mbps： 100
100Mbps：19
1Gbps：4
10Gbps： 2
Sw1#show interfaces status
Sw1#show spanning-tree
Sw1(config-if)#spanning-tree (vlan 1) cost 22 每个VLAN都能生成一个自已的生成树，通过改动每个VLAN的COST值可以达到让每个VLAN选择不同的根端口，产生不同的生成树，充分利用了链路
Sw1(config-if)#spanning-tree cost 22 修改所有Vlan的Cost值
Port ID是由优先级+端口号组成
修改端口优先级：默认情况下是128
Sw1(config-if)#spanning-tree port-priority 16注意：必须是16的倍数才行
• One designated port per segment（每个Segment只有一个指定端口）
选举DP的方法：
1.Lowest RID(最小的RID)是SW1（根桥）的BID
2.Lowest path cost to root bridge（到达根的最小路径开销）
3.lowest BID (最小的发送BID)
4.Lowest port ID
•根桥的所有端口都是指定端口（DP）。
• Nondesignated ports are blocked（非指定端口将被堵塞）
•最后，既不是根端口，又不是指定端口的哪些接口被称为非指定端口，这些端口将被block掉。从而达到防环的目的。
为了方便大家记住stp的选路规则，我设计一个顺口溜，方便大家理解和记忆！
端口选举顺口溜：
交换环路不可怕，记住规则就没有啥！
全网只有一根桥，非根只有一根口
一段一个指定口，其他都是阻塞口
先根桥，后根口，接着指定阻塞口
选根桥，看级别，级别MAC越小越好
选根口，比较难，需要四条才算完
先级别、再成本、再看发者的id和port
选指定、比较易、还是四条但简单
先级别、再成本、再是自己的id和port
剩下的端口没人要，不是阻塞就shut
＜生成树的收敛＞
当网络出现故障导致拓朴发生变化时，生成树要进行收敛，在收敛过程中，一个block接口变到forward状态时会经历以下四种状态变化。
生成树端口状态：
1、blocking--阻塞状态，不转发帧，监听流入的BPDU，不学习MAC地址
2、listening--监听状态，不转发帧，不学习MAC地址，能够决定端口角色
3、learning--学习状态，不转发帧，能学习MAC地址
4、forwarding--转发状态，能够进行正常的帧转发
当拓扑发生变化时，端口从阻塞状态过渡到正常转发状态的时间是30-50S
如果是直连接口down掉，端口状态过渡最大需要30S
如果是非直连故障，最大需要50S
＜二层MAC地址表的收敛＞
注意：在网络拓朴发生改变后，不仅会有STP的收敛，还会导致二层MAC地址表的收敛。
•当发生如下事件时，SW会发送TCN：
1.链路故障（FWD -> BLK）
2.端口进入转发状态，并且SW已经拥有DP
3.非根桥从它的DP接收到TCN，并将其转发
MAC地址表的收敛过程如下：
1、拓扑发生改变的交换机向RP端口发出TCN的BPDU
2、上级交换机做两件事：先回应一个TCN置位的BPDU，再继续向自已的RP接口发出TCN的BPDU
3、TCN的BPDU就这样一跳跳的传到根交换机上
4、然后根交换机将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为转发延迟时间(15S)。
5、根交换机再向网络中发出TC置位的BPDU
6、网络中的其他交换机收到TC置位的BPDU后，也将自已MAC地址表的老化时间由默认的300S改为15S。
这样，每台交换机就快速的老化了MAC地址表，清除掉了已经失效的MAC地址条目。
＜BPDU Timer＞
三个计时器：
•Message Age：最大存活时间（20S）
Hello Time:根桥连续发送BPDU的间隔（2S）
Forward Time:SW在监听和学习状态所停留的时间（15S）
spanning-tree vlan 1-10 hello-time 3 修改发送BPDU的时间间隔
spanning-tree vlan 1-10 forward-time 13 修改forward时间
spanning-tree vlan 1-10 max-age 33 修改最大存活时间
注意：必须在根桥上修改，否则不起作用。
1．老化时间（blocking）（loss of BPDU detected）max age=20s
2. 监听时间（listening）forward delay=15s
3．学习时间（learning）forward delay=15s
监听BPDU 学习MAC 帧转发
Blocking √ × ×
Listening √ × ×（选举Root/RP/DP）
Learning √ √ ×
Forwarding √ √ √
＜STP和802.1Q＞
优点：
所有交换机只运行一个生成树，交换机开销低
缺点：
多个vlan公用一个生成树，不能实现负载均衡
交换机的收敛时间比较长
•对于不支持802.1Q的SW，所有VLAN维护一个STP。(SSTP)
•在交换网络中，STP是始终运行的，如果链路没有Trunking.STP只维护VLAN1的信息。
•CISCO交换机上，在采用802.1Q的Trunk中，SW为Trunk中所允许的每个VLAN维护一个STP。
（PVST）
Per VLAN Spanning Tree
优点：1.基于Vlan的负载均衡；
缺点：1.交换机的收敛时间比较长
2.所有交换机运行多个生成树，交换机开销高
＜STP的一些增强特性＞
•802.1D STP设计初衷：网络中断后能够在1分钟之内(Max=50S)恢复。
伴随着LAN出现3层交换，很多的路由协议（OSPF/EIGRP）都能在几秒之内收敛。
•Cisco为加快收敛时间，提出了一些私有的优化特性来加速STP的收敛：
1、PortFast
2、UpLinkFast
3、BackboneFast
•ortFast：
能够让2层的接入端口(接host)跳过LIS/LRN状态立即进入FWD。30S->0S
基于接口，用于接非交换机接口，不要设置在接SW的端口。
Sw1#show spanning-tree
Type: Edge
测试：把交换机的端口shutdown，再no shutdown,观察状态。启用前和启有后是不一样的。
Sw1(config)#spanning-tree portfast default （所有接口启用）全局下用
一般用在接入层的交换机上。
Sw1(config-if)#spanning-tree portfast接口下单独启用
Sw1(config-if)#spanning-tree portfast disable (某个口禁用，通常是连接另一台交换机的口）
优化后：节约30s钟
•UplinkFast：
在接入层SW上配置，用于检测直连到分布层SW的链路故障，并加速STP的收敛速度。
也可以在分布层交换机上配置，用于检测直连到核心层交换机的链路故障
30S->0S
Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast
（Uplinkfast是一个全局命令，将影响SW上的所有VLAN）
Debug spanning-tree events
测试：将有效链路口shut，原来BLK口立即转发，
•Uplinkfast将网桥PRI增加到49152，将端口Cost增加3000
使SW不能成为Root。所以一般配置在接入层SW。
Sw2#show spanning-tree
........Uplinkfast enabled
Sw2#show spanning-tree uplinkfast 可以看到哪些接口成为备份
Sw2(config)#spanning-tree uplinkfast max-update-rate 200
（每秒所发包的数目，默认值150）
优化后：节约30s钟
•BackboneFast：
BackboneFast是对UplinkFast的一种补充。用于检测主干SW间的链路故障。（50S -> 30S）
•要求BackboneFast应用在所有SW上。
当交换机检测到次级BPDU后，将使用替代路径发送RLQ BPDU（根链路查询BPDU），RLQ BPDU通过中间交换机向根交换机传播，并且根交换机将最终响应。
Sw1（config）#spanning-tree backbonefast
Sw1#show spanning-tree backbonefast 可以查看RLQ消息和次级BPDU
优化后：节约20S
PVST(Per Vlan Stp)
Cisco SW 默认为每个VLAN生成一个STP，互不影响。
由于是为不同的VLAN生成不同的生成树。所以每一台交换机需要为不同的VLAN生成一个不同的桥优先级，所以在CISCO交换机上，交换机在每一个VLAN中的优先级是默认的32768再加上VLAN的号码。
可通过以下命令指定一台交换要为根桥：
Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 root primary （24576=0x6000) (建立优先级，成为根桥)
Sw2(config)#spanning-tree vlan 1-10 root secondary (28672=0x7000) (备份根桥，防止优先级根桥showdown了)
Sw1(config)#spanning-tree vlan 1-10 priority 4096
（设置必须是4096的倍数）
•VST+(Per Vlan Stp)
PVST+（Per VLAN Spanning Tree Plus，增强的每VLAN生成树）
同时支持cst和pvst
rapid-pvst
Per-Vlan rapid spanning tree mode每VLAN快速生成树
以上三个全部为cisco私有协议
而我们的业内标准为：
802.1dstp
802.1smst
802.1wrstp
PVST优缺点：
优点：
1、负载均衡
缺点：
1、收敛时间长
2、交换机负载大
Rapid-PVST：
优点：
1、负载均衡
2、收敛速度快
缺点：
1、交换机负载大
RSTP(Rapid STP） 802.1w当前主流技术
•RSTP的基本工作原理与STP相同，要经历四个工作流程，也有相同的四个选举规则。
•当网络拓扑发生改变时，快速生成树协议能够明显地加快重新计算生成树的速度。
启用命令：
spanning-tree mode rapid-pvst //理论一大把，命令就一条
RSTP的特点：
•RSTP中，将接口的链路类型分为两种：
1、共享链路 如果接口工作在半双工则是share类型的链路
2、点到点链路如查接口工作在全双工则是point-to-point类型的链路
注意：仅仅只在点到点链路上RSTP才能实现快速收敛
•RSTP中定义了3种端口状态：
Discarding 丢弃
Learning
Forwarding
•RSTP中的端口角色：
RP：根端口
DP：指定端口
Alternate Port：替代端口
Backup Port：备份端口
•默认集成backbonefast
将portfast也集成了，改名为边缘端口edge，要手工加载，加载的方法都和portfast一样。
•RSTP中BPDU的格式：
在Flag字段总共8 bit，STP中只用到2 bit，
RSTP用到其他6 bit来完成端口状态和角色的编码。
Version: 2
Message Type : 2
•在802.1D中，只有当SW从根端口收到BPDU时，非根桥才能转发BPDU。
在802.1w中，每个SW会每隔2S就发送一次包含当前信息的BPDU。
•定义了Proposal和agreement消息用来做快速收敛
•关于拓朴变更后MAC地址表的收敛过程：
注意：在RSTP中，只有当非边缘端口进入转发状态的时候才会导致拓扑变更，才会产生TC BPDU，连接的丢失不会导致拓扑变更，也不会产生TC BPDU。
在RSTP中，每台交换机都可以下发TC置位的config BPDU，这样也实现了快速收敛
除非网络有老式设备，否则RSTP不需要使用TCN BPDU
STP优缺点：业内标准
优点：
1、交换机负载小
缺点：
1、收敛时间长
2、负载均衡
PVST优缺点：cisco 私有
优点：
1、负载均衡
缺点：
1、收敛时间长
2、交换机负载大
RSTP优缺点：业内标准
优点：
1、收敛速度快
2、多个vlan公用一个生成树，交换机执行效率较高
缺点：
不能负载均衡
Rapid-PVST：cisco私有
优点：
1、负载均衡
2、收敛速度快
缺点：
1、交换机负载大
MST（Multiple Spanning Tree） 802.1s
CST （Common Spanning Tree）
缺点：所有的Vlan都是按照同一个STP来工作的。
优点：开销小。
PVST
优点：可以为每个Vlan配置一个STP。可以实现基于Vlan.L2的负载分担。
缺点：SW维护很多的STP，开销大。Vlan改变，波及大。
MST（对CST和PVST的折衷方案）
1.MST对vlan分组（Instance)
2.每个分组可以有独立的STP，实现L2负载分担。
spanning-tree mode mst （启用MST）
spanning-tree mst configuration
name WOLF
revision 10
instance 1 vlan 1-5
instance 2 vlan 6-10
spanning-tree mst 1 priority 4096 修改本交换机在这一大堆VLAN中的优先级
int f0/5
spanning-tree mst 1 cost 19 修改本接口在这一组中的开销
show spanning-tree mst
show spanning-tree mst configuration
show current
show spending
有一个默认组0，没划分的VLAN就在这里面
MST不能和PVST共存，可以和RSTP共存
RSTP优缺点：
优点：
1、收敛速度快
2、多个vlan公用一个生成树，交换机执行效率较高
3、负载均衡
＜优化STP＞
•BPDU防护：
对于设置了PortFast接口，却收到了BPDU，如果设置了BPDU防护，就能将此接口关闭，而不会进入生成树状态。
spanning-tree portfast bpduguard default （全局开启）
int f0/1
spanning-tree bpduguard enable （接口开启）
show spanning-tree summary
Show errdisable recovery 显示可导致接口errdisable的选项
设置自动恢复：
errdisable recovery cause bpduguard设置300S（默认）后自动修复bpduguard所导致的errdisable
errdisable recovery interval 30 修改默认的修复时间
•BPDU过滤：不发也不收
通过使用BPDU过滤，能够防止在启用portfast的端口上向host发送不必要的BPDU。
注意：
如果在全局下配置，从端口收到BPDU的话，不会禁掉端口，会转为正常的STP状态
如果在接口下配置，从端口收到BPDU的话，会丢弃。
如果在同一接口设置Guard/Filter , F优于G
BPDU过滤只是一种优化技术，在接口上配置BPDU过滤有可能导致桥接环路，所以不推荐使用。
spanning-tree portfast bpdufilter default（全局开启）
int f0/9
spanning-tree bpdufilter enable （接口开启）
show spanning-tree summary totals
•根保护：
能够将接口强制设为DP，进而防止对端SW成为Root。
设置了根保护的端口如果收到了一个优于原BPDU的新的BPDU，它将把本端口设为blocking禁止状态，过一段时间，如果没再收到BPDU,它会恢复端口，这一点不同于BPDU的防护。
int f0/5
spanning-tree guard root
测试：将其他SW变成根桥，看原来根桥的现象：
show spanning-tree inconsistentports
Show spanning-tree interface f0/2 detail
show spanning-tree
Fa0/2 Desg BKN*19 128.2 P2p *ROOT_Inc
•环路保护： 对于软件故障处理得更好
当STP中的BLK端口错误的过渡到FWD状态，有可能出现环路。
启用Loopguard的接口，如果原来的BPDU老化了，不会转到listening状态，而将自动转为inconsistent状态
在inconsistent状态下，会再根据对端交换机发过来的BPDU进行决定端口状态。
如果是出现了单向链路失效的现象，对端交换机是不会有BPDU过来的，所以接口将一直保持inconsistent。
默认情况下是禁用的。
spanning-tree loopguard default （全局）
int f0/9
spanning-tree guard loop （接口）
•UDLD单向链路失效检测： 对于硬件故障处理得更好
单向链路失效是比较常见的现象，以太网线缆的收发出现问题。
当链路保持“UP”的时候，接口却没有流量收到。
UDLD是一种二层协议，它与第一层机制协同工作来确定链路的物理状态。
启用UDLD能使得这种接口自动进入“err-disable”状态。
启用了UDLD的交换机之间会互相发送UDLD协议包来保持联系，默认间隔15S
Sw1(config)#udld enable 也可在接口下配
show udld
积极模式的UDLD--当端口停止接收UDLD的数据包时，UDLD将尝试重新建立与邻居的连接，但如果尝试8次之后还不成功，那么两端的端口都将成为“err-disable”状态。
Err-disable特性：
在CISCO交换机上有很多的保护特性都会导致接口进入err-disable状态
接口如果进入err-disable状态：有两种方法恢复
1、手动恢复
先shutdown、再no shutdown
2、自动恢复
errdisable recovery cause {all|arp-inspection|bpduguard|link-flap} 指定原因
errdisable recovery interval 30 指定自动恢复时间间隔
STP排错：
1、双工不匹配
2、单向链路失效
3、帧破坏
4、资源错误
5、portfast配置错误
6、STP直径参数配置不恰当
命令总结：
bgduguard
接口开启：sw1(config-if)#spanning-tree bpduguard enable
全局开启：sw1(config)#spanning-tree portfast bpduguard default
如果对所有开了portfast的端口进行限速如何办？
sw1(config)#spanning-tree portfast bpduguard【对所有开启了portfast的接口进行bpdu防护】
loopguard
接口开启：spanning-tree guard loop
全局开启：span-tree loopguard default
loop防护：该技术不能与根保护一起用，一起使用后会互相覆盖。
bpdufilter
sw3(config-if)#spanning-tree bpdufilter enable
sw1(config)#spanning-tree portfast bpdufilter default
bpdufilter和bpduguard一起使用时，bpdufilter优先！
rootguard
sw1(config-if)#spanning-tree guard root
