STP、RSTP、MSTP协议分析

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一、STP

1、为什么要有STP？

为了解决广播风暴、mac地址漂移等问题

2、STP选举机制

a、选举根桥

网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”

优先级默认是32768 都是4096的倍数

b、选举根端口RP

RID就是根桥的BID

网络中RID最小的设备为根桥
非根桥设备将接收最优配置BPDU的那个端口定为根端口DP

通过解析收到的BPDU来判断顺序如下

到根桥的根路径开销RPC最小的端口，即为该非根交换机的根端口
根路径开销相同，就比较对端交换机的BID，越小越优
BID相同，就比较对端的PID，越小越优
PID相同，就比较本端的PID，越小越优。

RPC：发送该报文的端口累计到根桥的开销（根桥发出的BPDU报文RPC为0）
PID：端口优先级和端口号，默认是128 都是16的倍数

c、在所有链路上选举指定端口DP

通过解析收到的BPDU来判断顺序如下

到达根桥的根路径开RPC销最小的端口为DP
RPC相同，就比较两端交换机的BID，越小越优
BID相同，就比较两端交换机的PID，越小越优

d、既不是RP又不是DP的端口阻塞（Blocking）

阻塞DP、RP以外的端口——Blocking状态接收但不发送 bpdu

此时端口处于阻塞状态，要注意STP中没有BP、AP端口，只有处于Blocking状态的端口

STP拓扑稳定后，根桥按照Hello timer规定的时间间隔发送配置BPDU，其他非根桥设备在收到上游设备发过的配置BPDU后才会触发配置BPDU的发出

3、STP端口状态

4、STP计时器

Hello Time
发送配置消息BPDU的时间间隔
Forward Delay
设备状态迁移的延迟时间。
Listening状态持续15秒，随后Learning状态再持续15秒。（避免临时环路,这两个状态下的端口会处于Blocking状态）

为什么需要Forwarding Delay？

为了保证新的配置消息传遍整个网络，从而防止了临时环路的产生。

Max Age
端口的BPDU报文老化时间（能活多长时间），默认20s可在根桥上通过命令手动修改老化时间。
- Message Age：bpdu报文的生存时间（已经活了多长时间）
```
根桥发出的bpdu默认Message Age为0，每经过一个交换机则+1 
```
- 运行STP协议的网络中非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age字段会进行比较
  - Message ≤ Max Age，则非根桥设备继续转发配置bpdu
  - Message 大于 Max Age，则非根桥设备丢弃配置bpdu

5、BPDU类型

配置BPDU
等到stp收敛完成后，只有根网桥才会周期性的主动发生配置bpdu，非根桥接收到之后会产生自己的配置bpdu从指定端口发送出去
TCN BPDU（拓扑变化通知BPDU）
- 当直连交换机感知到链路故障时，发送TCN BPDU给上行交换机
- 上行交换机收到之后会返回一个TCA 置位为1的配置bpdu同时通过根端口向自己的上行交换机发送TCN BPDU直到根网桥
- 根网桥收到TCN BPDU后会发送TC置位为1的配置bpdu告诉所有交换机网络拓扑已经发生变化
- 非根网桥收到TC置位为1的配置bpdu后，将自己的mac地址表老化时间（默认300s）缩短为15s（Forward Delay时间）加速老化

TC置位为1：Topology Change=Yes。表示拓扑改变
TCA 置位为1：Topology Change Acknowledgment=Yes。表示已经知道了拓扑变化

6、STP故障分析

a、直连链路故障

两台交换机间有两条链路，其中一条是主用链路，另一条为备用链路。
当网络稳定时，交换机SW2检测到根端口的链路发生故障，则被阻塞的端口会开始端口状态迁移，最终进入用户流量转发状态。

经过两次状态转换耗时30S（两次Forward Delay时间）

b、非直连链路故障

1、SW2可以直接感知到链路故障，SW3不能 2、SW3上被阻塞的端口（blocking状态）是可以接收bpdu的 2、SW2感知到链路故障后，认为自己成为根桥，于是便向SW3被阻塞的端口发送配置bpdu 3、SW3被阻塞的端口上缓存者SW1的配置bpdu要优于SW2的配置bpdu，所以忽略SW2的配置bpdu 4、当SW3被阻塞的端口上缓存的bpdu超时（默认20s），便依次转换为Listening、Learning、及Forwarding状态（两次Forward Delay默认30S） 5、SW3被阻塞的端口在链路发生故障50S左右转换为Forwarding状态向SW2转发SW1发送的配置bpdu 6、SW2收到这个配置bpdu后（优于自己）认定SW1为根桥，连接SW3的端口为根端口

二、RSTP

快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol），RSTP在STP的基础上进行了改进，可实现网络拓扑的快速收敛。

1、RSTP端口角色

RP
- 同STP
DP
- 同STP
AP
- 学习到其他网桥发送的更优RST BPDU而阻塞的端口
- Alternate：预备端口，根端口的备份，当根端口失效时成为新的根端口
BP
- 学习到自身发送的更优RST BPDU而阻塞的端口（自环时会出现）
- Backup：指定端口的备份
边缘端口
- 不再与其他交换设备RSTP计算、直接与终端设备相连的DP端口可以配置为边缘端口
- 边缘端口在收到bpdu后失效

RST BPDU：RSTP的配置bpdu
在收敛完成后RP、DP处于forwarding状态，AP、BP处于discarding状态

stp中没有ap端口

2、RSTP端口状态

RSTP将端口状态缩减为3种。根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址

Discarding
- 端口既不转发用户流量也不学习MAC地址
Learning
- 端口不转发用户流量但是学习MAC地址（学mac）
Forwarding
- 端口既转发用户流量又学习MAC地址（啥都干）

3、RSTP快速收敛机制

a、STP拓扑变化机制

在一个运行RSTP的网络中，检测拓扑是否发生变化只有一个标准：一个非边缘端口迁移到Forwarding状态。

RSTP拓扑稳定后
- 无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文都会按照Hello timer规定的时间间隔发送配置BPDU
- 如果一个端口连续3个Hello time时间内没有收到上游设备发送过来的配置BPDU，那么认为协商失败,不需要等待Max Age
拓扑变化后
- 非边缘指定端口和根端口启动一个TC While Timer计时器（两倍的Hello Time），这段时间内清空所有端口上学习到的MAC地址。同时向外发送TC置位1的RST BPDU，TC While Timer时间后停止发送RST BPDU。
- 其他交换设备接收到RST BPDU后，清空所有端口学习到MAC地址，除了收到RST BPDU的端口。然后也为自己所有的非边缘指定端口和根端口启动TC While Timer，重复上述过程。
RSTP实现快速收敛在于引入了PA机制、根端口快速切换机制、边缘端口

b、Proposal/Agreement机制

让链路在没有临时环路的情况下快速进入到转发状态，不用等待计时器超时，提高RSTP的收敛速度

两台交换机都认为自己是指定端口，发送RST BPDU
SW2收到更优的RST BPDU后，经比较认为SW1才是当前根桥，此时SW2的端口将成为根端口，而不是指定端口，停止发送RST BPDU。
SW1的端口进入Discarding状态，于是在发送的RST BPDU中把Proposal和Agreement置1。
RSTP的Discarding状态与STP的不同，可以收发bpdu
S2收到根桥发送来的携带Proposal的RST BPDU，开始将自己的所有端口进入sync变量置位（即同步变量：临时阻塞除边缘端口外的其他端口）该过程称为同步过程。
SW2的各端口同步后，根端口立即进入Forwarding状态并向SW1返回Agreement位置位的回应RST BPDU
SW1收到该报文后，会让指定端口立即进入Forwarding状态。
下游链路的设备互联端口会进行新一轮的P/A协商
SW2的下游端口一直收不到Agreement位置位的回应报文，等待2倍的Forward Delay后，进入转发状态。

c、根端口快速切换机制

如果RSTP网络中一个根端口失效，那么网络中最优的AP端口将成为根端口并直接进入Forwarding状态。因为通过这个Alternate端口连接的网段上必然有个指定端口可以通往根桥。

d、边缘端口

如果某一个DP位于整个网络的边缘，即不再与其他交换设备连接，而是直接与终端设备直连，这种端口叫做边缘端口。
边缘端口不参与生成树计算，收到bpdu后边缘端口失效

三、MSTP

多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）是IEEE 802.1s中定义的生成树协议，通过生成多个生成树，来解决以太网环路问题。

形成多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
多棵生成树在VLAN间实现负载均衡，不同VLAN的流量按照不同的路径转发。

背景：由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，链路被阻塞后将不承载任何流量，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发

MSTP把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。 每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI（Multiple Spanning Tree Instance）， 每个域叫做一个MST域（MST Region：Multiple Spanning Tree Region）。

生成树实例：多个VLAN的一个集合

MSTP通过设置VLAN映射表（即VLAN和MSTI的对应关系表），把VLAN和MSTI联系起来。每个VLAN只能对应一个MSTI，即同一VLAN的数据只能在一个MSTI中传输，而一个MSTI可能对应多个VLAN。

MSTP网络中包含1个或多个MST域，每个MST域中包含一个或多个MSTI。

1、相关定义

MST域（MST Region）

MST域是多生成树域（Multiple Spanning Tree Region），由交换网络中的多台交换设备以及它们之间的网段所构成。同一个MST域的设备具有下列特点：

 都启动了MSTP。 具有相同的域名。 具有相同的VLAN到生成树实例映射配置（VLAN映射表）。 具有相同的MSTP修订级别配置。

VLAN映射表
- VLAN映射表是MST域的属性，它描述了VLAN和MSTI之间的映射关系。
CST
- 公共生成树CST（Common Spanning Tree）是连接交换网络内所有MST域的一棵生成树。
- 如果把每个MST域看作是一个节点，CST就是这些节点通过STP或RSTP协议计算生成的一棵生成树
IST
- 内部生成树IST（Internal Spanning Tree）是各MST域内的一棵生成树。
SST
单生成树
- 运行STP或RSTP的交换设备只能属于一个生成树。
- MST域中只有一个交换设备，这个交换设备构成单生成树。
CIST
- 公共和内部生成树CIST（Common and Internal Spanning Tree）是通过STP或RSTP协议计算生成的，连接一个交换网络内所有交换设备的单生成树。（IST+CST）
域根
域根（Regional Root）分为IST域根和MSTI域根。
- 在MST域中IST生成树中距离总根（CIST Root）最近的交换设备是IST域根。
- 一个MST域内可以生成多棵生成树，每棵生成树都称为一个MSTI。MSTI域根是每个多生成树实例的树根。
总根
- 总根是CIST（Common and Internal Spanning Tree）的根桥。
主桥
- 主桥（Master Bridge）也就是IST Master，它是域内距离总根最近的交换设备。
- 如果总根在MST域中，该域的主桥就是总根。
端口角色
- 同RSTP

2、MSTP网络

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