STP生成树协议——算法和过程

1、STP算法
     IEEE802.1D标准定义了STP的生成树算法。该算法依赖于BID、路径开销和端口ID参数来作出决定。
     一、BID（网桥ID）：
     BID是生成树算法的第一个参数，BID决定了桥接网络的中心，称为根网桥或根交换机。

BID参数是一个8字节域。前2个字节（10进制）称为“网桥优先级”，后6个字节（16进制）是交换机的一个MAC地址。

网桥优先级用来衡量一个网桥的优先度，范围是0－65535，默认是32768。

思科交换机中的PVST+（每VLAN生成树）生成树协议使每一个VLAN都有一个STP实例。

比较两个BID的大小的原则：一是网桥优先级小的BID优先，二是若是网桥优先级相同，BID中的后六个字节的MAC小的则BID优先。      二、路径开销：      路径开销是生成树算法的第二个参数，决定到根网桥（根交换机）的路径。      通俗说，路径开销是用来衡量网桥之间的距离的远近的，其值是两个网桥之间某条路径上全部链路开销的总和。      路径开销与跳数无关。      路径开销决定到根网桥或根交换机的最佳路径，最小的路径开销是到根交换机的最佳路径。      路径开销的值的规律：带宽越大，STP开销越小。      三、端口ID：端口ID是生成树算法的第三个参数，也决定到根交换机的路径。它由2个字节组成，包括“端口优先级”和“端口号”，各占8位。      端口优先级值从0－255，默认128；端口号包括256个。      端口ID大小的断定与BID大小的断定相同。      2、STP的过程      一、STP判决和BPDU交换：      当建立一个逻辑无环的拓扑时，STP老是经过发送BPDU的第二层帧来传递生成树协议，并执行相同的4步判决顺序：      步骤1，肯定根交换机；      步骤2，计算到根交换机的最小路径开销；      步骤3，肯定最小的发送者BID；      步骤4，肯定最小的端口ID。      网桥为每一个端口存储一个其收到的最佳BPDU，当有其余的BPDU到达交换机的端口时，交换机会使用四步判决过程来判断此BPDU是否比该端口原来存储的BPDU更好，若是新收到的BPDU（或者本地生成的BPDU）更好，则替换原有值。      当一个网桥第一次被激活时，其上全部端口每隔一个HELLO时间（默认2秒）发送一次BPDU；若是一个端口发现从其余网桥收到的BPDU比本身发送的好，则本地端口就中止发送BPDU；若是在MAX AGE（最大生存时间，默认20秒）内没有从邻居网桥收到更好的BPDU，本地端口则从新开始发送BPDU，即最大生存时间是最佳BPDU的超时时间。      二、STP收敛的三个步骤：      生成树算法收敛于一个无环拓扑的初始过程包含三个选举步骤：      步骤1    选举一个根交换机。      步骤2    选举根端口。      步骤3    选举指定端口。      在网络第一次“初始”时，全部网桥都洪泛混合的BPDU信息，网桥经过执行STP四步判决过程，造成整个网络或VLAN唯一的生成树。在网络稳定后，BPDU从根网桥流出，沿着无环支路到达网络中的每个网段。网络发生变化时，生成树协议按照收敛三个步骤作出处理。      （1）选举根交换机：      根交换机是一个具备最小BID的网桥，它是唯一的，是经过交换BPDU选举得出来的。 BPDU的格式：BPDU是网桥之间用来交换生成树信息的特殊帧，它在网桥之间传播，包括交换机和全部配置来进行桥接的路由器，BPDU不携带终端用户流量。 BPDU包括根BID、根路径开销、发送者BID和端口ID信息。      也就是说，交换机经过传递BPDU来发现谁是最小的BID，从而将具备最小BID的网桥作为根交换机。最初时，交换机总将本身认为是根网桥，当它发现有比本身小的BID时，就将收到的具备最小BID的交换机做为根网桥。      （2）选举根端口：      在根交换机选举完后，就开始选举根端口了。所谓根端口，就是按照路径开销最靠近根交换机的端口，也就是说具备最小根路径开销的端口。每个非根交换机都必须选举一个根端口。      （3）选举指定端口：      经过以上两个步骤后，生成树算法尚未消除任何环路，由于尚未选举指定端口。所谓指定端口，就是链接在某个网段上的一个桥接端口，它经过该网段既向根交换机发送流量也从根交换机接收流量。桥接网络中的每一个网段都必须有一个指定端口。      指定端口也是根据最小根路径开销来决定，所以根交换机上的每一个活动端口都是指定端口，由于它的每一个端口都具备最小根路径开销（实际是它的根路径开销是0）。      注意：指定端口只在中继端口（TRUNK口）起做用。接入端口在指定端口选举中不起任何做用。接入端口是用来链接到主机或者三层端口的。      三、STP状态      在网桥已经肯定了根端口、指定端口和非指定端口后，STP就准备开始建立一个无环拓扑了。      为建立一个无环的拓扑，STP配置根端口和指定端口转发流量，非指定端口阻塞流量。      实际上，STP决定端口转发和阻塞看似只有这两个状态，其实是有五种状态的。      （1）、Disabled（为了管理目的或者由于发生故障将端口关闭）；      （2）、Blocking（在初始启用端口以后的状态。端口不能接收或者传输数据，不能把MAC地址加入地址表，只能接收BPDU（bridge protocol da ta unit）。若是检测到有一个桥接环，或者端口失去了它的根端口或者指定端口的状态，那么就会返回到Blocking状态）；      （3）、Listening（若是一个端口能够成为一个根端口或者指定端口，那么它就转入监听状态。此时端口不能接收或者传输数据，也不能把MAC地址加入地址表，但能够接收和发送BPDU）；      （4）、Learning（在Forward Delay计时时间到（默认15秒）后，端口进入学习状态，此时端口不能传输数据，但能够发送和接收BPDU，也能够学习MAC地址，并加入地址表）；      （5）、Forwarding（在下一次转发延时计时时间到后，端口进入转发状态，此时端口可以发送和接收数据、学习MAC地址、发送和接收BPDU）。      在这些状态过程当中，会引起网络拓扑结构发生改变。此时，发生变化的交换机会在它的根端口上每隔hello time时间就发送TCN BPDU，直到上级的指定网桥邻居确认了该TCN（拓扑结构变化通知）为止。当根网桥收到后，会发送设置了TC（topology change，拓扑改变）位的BPDU，通知整个生成树拓扑结构发生了变化。这会让全部的下级交换机把它们的Address Table Aging（地址表老化）计时器从默认值（300秒）降为Fordwarding Delay（默认为15秒），从而让不活动的MAC地址比正常状况下更快地从地址表更新掉