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1、生成树初始化与收敛STP 建立一个根节点，称为根网桥，并构建了一种拓扑，在这种拓扑中，网络中每一个节点都只有一条路径可以到达，最终生成的树起源于根节点，不属于最短路径树的一部分冗余链路会被阻塞，因为这样的路径被阻塞了，所以实现一个无环路的拓扑是有可能的。在阻塞链路上收到数据帧将会被丢弃。STP 需要网络设备互相交换消息来检测桥接环路，交换机发送的用于构建无环路拓扑的消息称为网桥协议数据单元。阻塞端口会不断收到 BPDU，以保证当活动路径或设备发生故障的时候，仍然可以计算出一棵新的生成树。BPDU 将提供足够的信息，所有交换机利用此信息可以完成以下的工作：选择一台单独的交换机作为生成树的根。计算
2、它自身到根交换机的最短路径。对于每一个 LAN 网段，指定一台交换机作为最接近的交换机，称它为指定交换机，指定交换机处理所有从 LAN 到根交换机的通信。每个非根交换机选择自身的一个端口作为根端口，它是到根交换机路径最短的接口。在每个网段上选择属于生成树一部分的端口作为指定端口，非指定端口将被阻塞掉。1STP 四步初始化原则STP 在建立无环路逻辑拓扑时候，STP 必须遵守“STP 四步初始化原则”，即：第 1 步：最低的根 BID。第 2 步：最低的路径开销到根桥。第 3 步：最低的发送方 BID。第 4 步：更低的端口 ID。当一台网桥设备加电起动时，按照（Hello Time）时间间隔为
3、 2 秒频率向所有端口发送 BPDU，网桥通过以上 4 个步骤来确定每个端口得到最优先的 BPDU。如果自己最优先，则发送个对方，否则停止发送，接受对方的 BPDU。如果在 20 秒时间未能收到对方发来的优先级高的 BPDU 的话，则又开始重新发送 BPDU 来确认最优的 BPDU。2生成树收敛的 3 个步骤当交换机（网桥）全部加电时，所有的网桥全部向连接端口发送 BPDU 信息，然后立即进入 STP 无环路逻辑拓扑计算。生成树从拓扑初始化到收敛成一个无环路的拓扑结构，可以分成 3 个步骤。第 1 步：选择根桥（Root Bridge），唯一的根桥被选举。第 2 步：选择根端口（Root Po
4、rts），其他的网桥计算一系列的根端口。第 3 步：选择指定端口（Designated ports），用于网段连接。1）步骤 1：选择根桥如图 8-8 所示，网桥启动时 SW-1、SW-2 和 SW-3 3 台交换机全部发送 BPDU 声明自己是网桥，网桥的优先级均为 32768，此时开始比较 MAC 值。SW-2 收到 SW-3 来的 BID 32768.33-33-33-33-33-33，比自己的 BID 32768.22-22-22-22-22-22 高，认为自己是网桥，但同时也收到 SW-1 的 BPDU 的 BID 值为 BID 32768.11-11-11-11-11-11 比自己
5、低，所以会认为 SW-1 为根桥，SW-3 也经过同样的比较，认为 SW-1 为根桥。图 8-9 显示了根桥计算对比后的结果。图 8-8 根桥选举 图 8-9 根桥选举结果SW-2 BPDU Payload 的 Root BID 值变化如下，Root BID 从 SW-1 学来，写入到端口1/1 上，Sender BID 为自己的桥 BID（注意：Sender BID =Bridge ID）。表 8-4 为 SW-2选择前与选择后的比较。表 8-4 SW-2 如何选择根桥BID 项 原值（启动时） 选择根桥后Root BID BID32768.22-22-22-22-22-22 BID 327
6、68.11-11-11-11-11-11Sender BID BID32768.22-22-22-22-22-22 BID 32768.22-22-22-22-22-222）步骤 2：选择根端口选择根桥完毕之后，非根桥交换机必须选择一个根端口，以便确定通信路径。一台网桥的根端口是离根桥最近的端口，这个“最近原则”是比较端口到根桥的最少路径开销，以太网的端口开销值参见前面的表 8-1 中的内容。图 8-10 显示了根端口的选举过程。如图 8-10 所示，根端口的所有端口的 Path Cost 值全部为 0，SW-1 和 SW-2 为非根桥，它们必须选择一个根端口，SW-2 收到从根桥来的 Cos
7、t 值为 0，加上本身自己的 Cost 值为19，获得 1/1 端口的 Cost 为 19，而 SW-2 的 1/2 端口从 SW-3 收到的 Cost 的值为 19，加上自己本身的 Cost 值 19，总共为 38，所以 SW 的 1/1 口为根桥。同理，SW-3 的 1/1 端口为根端口。3）步骤 3：选择一个指定端口每一个以太网网段连接的端口必须有一个指定端口，每个以太网网段中的端口比较根桥路径开销（Root Path Cost），最低值得为指定端口。下面将说明一种特殊情况。在图 8-11 展示的网络环境中分为：网段 1、网段 2 和网段 3。 图 8-10 根端口的选举过程图 8-11
8、 指定端口的选择过程SW-1 的端口的根桥路径开销均为 0，所有这两个段的指定端口为 SW-1 的 1/1 和 1/2；但是网段 3 中 SW-2 和 SW-3 之间相连的端口的根路径开销均为 38，这是必须按照“STP 四步初始化原则”进行比较，最后根据 BID 的值来决定谁是指定端口。网段 3 的 SW-2 和 SW-3 之间选择指定端口比较过程如表 8-5 所示。表 8-5 SW-2 和 SW-3 之间选择指定端口比较步骤执 行 内 容 SW-2 SW-3 结 果1 最低的根 BID 32768.11-11-11-11- 32768.11-11-11-11- 相等，转下一步11-11 1
9、1-112最低的根路径开销 38 38相等，转下一步3最低的发送方BID32768.22-22-22-22-22-2232768.33-33-33-33-33-33SW-2 的 BID 值低，所以 SW-2的 1/2 为指定端口4 最低的端口 ID - - -3生成树端口状态在启用 Spanning-Tree 的交换机，从“推举了根桥指定端口非指定端口来建立一棵无环路树根端口指定端口转发 BPDU 配置消息”这个过程结束，而非指定端口阻断网络流量。STP 关闭端口到转发流量有 5 个过程，如下表 8-6 所示。表 8-6 交换机端口状态状 态 功能与数据帧接收情况转发（Forwarding）发
10、送/接收用户数据；接受从其他接口转发来的数据帧；学习地址（BID 的地址）；不接受BPDU 配置信息学习（Learning）丢弃从端口收到的数据帧；丢弃从其他接口转发来的数据帧；学习地址（BID 的地址）；接受 BPDU 配置信息监听（Listening）丢弃从端口收到的数据帧；丢弃从其他接口转发来的数据帧；不学习地址（BID 的地址）；接受 BPDU 配置信息阻断（Blocking）丢弃从端口收到的数据帧；丢弃从其他接口转发来的数据帧；不学习地址（BID 的地址）；接受 BPDU 配置信息。关闭（Disable）管理性关闭或线路中断；丢弃从其他接口转发来的数据帧；丢弃 BPDU 转发数据帧；
11、不学习地址（BID 的地址）；不接受 BPDU 配置信息在完全利用思科设备组成的交换网络中，可以存在 7 种端口状态（Cisco 私有的PortFast 和 UplinkFast）。图 8-12 展示了各个端口状态迁移的过程。 图 8-12 STP 运算中端口的状态迁移图端口状态迁移情况比较复杂。假设一个端口从 Disable 状态或新接入到网络中来，这时 Disable 状态转到 Blocking 状态，Blocking 状态可以接受 BPDU 数据，在 20 秒的信息老化时间后，端口进入 Listening。再经过 15 秒的 BPDU 数据比较，如果该端口接收到的BPDU 数据为最优先的
12、，则进入 Learning 状态。这时如果收到的 BPDU 数据还是没有比自己更优先的，则再等 15 秒的转发延迟，端口进行转发状态，整个过程需要 50 秒左右。在上述的各个阶段中，如果端口收到比自己更优先的 BPDU 配置信息，则直接转入到Blocking 状态。在实际应用中，将一台电脑插入到启动了 STP 功能的交换机上，交换上的端口指示灯为桔黄色，需要等到 20+15+15=50 秒，灯才转为正常，指示灯为绿色。这也是为什么将客户端接入交换机后，不能马上通信的真正原因。4生成树计时器前面我们已经提到某些状态到另一种状态情况，这需要花费时间来判断最优的 BPDU 配置信息，STP 定义了三
13、中 STP 定时器，如表 8-7 所示。表 8-7 生成树三个计时器属性定 时 器 功 能 描 述 默 认值Hello Time 根桥发送 BPDU 配置信息的时间间隔 2 秒Foreword Delay 监听和学习状态的转发延时 15 秒Max Age BPDU 配置信息在端口中存储的时限 20 秒Hello Time 是根桥发送 BPDU 更新的时间间隔，默认为 2 秒；Forward Delay（转发延迟）是网桥在监听和学习状态时发生的，默认为 15 秒（监听到学习为 15 秒，学习到转发也是 15 秒）；Max Age 网桥存储 BPDU 的时间，时间为 20 秒，每 2 秒通过 He
14、llo Time 来更新，一旦经过 20 秒时没有接收到 Hello Time 来的更新BPDU，网桥端口状态就要发生变化。5拓扑变化后的收敛当非根桥检测到拓扑改变时，产生 TCN BPDU 给上一级网桥，上级网桥收到拓扑改变（TC），回复拓扑改变确认（TCA），继续向上传播 TCN BPDU，一直传播到根桥，告诉根桥拓扑已经改变，根桥收到后，根桥传播到新的配置 BPDU 到整个网络，缩短其他根桥的MAC 地址老换时间从 300 秒（300 秒为交换机默认的 MAC 老化时间）到指定的转发延迟时间30 秒。TCN BPDU 在以下 3 种情况发送：当端口转入转发状态而且网桥至少有一个指定端口。当一个端口从转发或学习状态到阻断状态时候。当指定端口收到 TCN BPDU 转发给根桥时。TCN BPDU 的特性如下：TCN BPDU 仅从根端口发出，配置 BPDU 仅从指定端口发出。TCN BPDU 发往根桥方向。TCN BPDU 使用可靠机制发送给根桥，当一台网桥发送 TCN BPDU，持续发送按照 Hello Time 间隔发送 BDPU，直到上级网桥确认收到带有拓扑确认标识（TCA）的配置 BPDU。TCN BPDU 只有在拓扑改变时才发送。
