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生成树（STP）
创始人
2024-01-28 10:11:38
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1.详细说明STP的工作原理

在二层交换网络中，逻辑的阻塞部分的接口，实现从跟交换机到所有节点唯一的路径称为最佳路径，生成一个没有环路的拓扑。当最佳路径出现故障时，个别被阻塞的接口将打开，形成备份链路。

2. STP的接口状态有哪些，每个状态的作用是什么？

STP的接口状态

状态名称状态描述
禁用（Disable）该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down
阻塞（Blocking）当该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习
侦听（Listening）当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口和指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习
学习（Learning）当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧（但是不能转发业务数据帧），并且在收到业务数据帧时会进行MAC地址学习
转发（Forwarding）处于该状态的接口可以正常的收发业务数据帧，也会进行BPDU处理。接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态

3. 说明STP在结构突变时的表现

结构突变主要有三种故障：根桥故障、直连链路故障、非直连链路故障

（1）根桥故障

<1> 根桥故障

  • 在稳定的STP网络中，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文
  • 如果根桥发生了故障，停止发送BPDU，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文
  • 如果下游的交换机一直收不到BPDU报文，Max Age计时器（缺省：20s）就会超时，从而导致已经手打的BPDU报文失效。此时，非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。

<2> 端口状态

SW3的预备端口，20S会从Blocking状态进入到Listening状态，在进入Learning状态，最终进入Forwarding状态，进行用户流量的转发。

<3> 收敛时间

根桥故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上两杯的Forward Delay收敛时间

（2）直连链路故障

<1> 直连链路故障

  • 当两台交换机之间用两条链路互连时，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会检测到根端口的链路发生故障，则其备用端口会进入用户流量转发状态。

<2> 端口状态

备用端口会从Blocking状态，迁移到Listening-Learning-Forwarding状态

<3> 收敛时间

直连链路故障，备用端口会经过30s后恢复转发状态

（3）非直连链路故障

<1> 非直连故障

  • 在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文
  • 若SW1和SW2之间的链路发生了某种故障（非物理故障），因此导致SW2一直收不到来自根桥的SW1的BPDU报文，Max Age计时器（缺省：20s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效。
  • 此时，非根桥SW2会认为根桥失效，并且认为自己是根桥，从而发送自己的配置BPDU给SW3，通知SW3自己是新的根桥
  • 在此期间，SW3的预备端口一直收不到包含根桥的BPDU，Max Age计时器超市后，端口进入到Listening状态，开始向SW2“转发”从上游发来的包含根桥ID的BPDU
  • 因此，Max Age计时器超时后，SW2和SW3几乎同时收到对方发来的BPDU，再进行STP重新计算，SW2发现SW3发来的BPDU更优，放弃宣称自己是根桥，并且重新定义端口角色。

<2> 端口故障

SW3的预备端口20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发

<3> 收敛时间

非直连故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forwarding Delay收敛时间

4. RSTP对于STP的改进项有哪些？仔细说明

（1）改进点1：端口角色

通过对端口的增补，简化了生成树协议的理解便于部署

<1> RSTP的端口角色一共有四种：根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口

<2> 根端口和指定端口的作用和STP中相同。Alternate端口和Backup端口的作用描述如下：

从配置BPDU的报文发送角度来看：

  • Alternate端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口
  • Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口

从用户流量角度来看：

  • Alternate端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口
  • Backup端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路

<3> 给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程

（2）改进点2：端口状态

RSTP的状态规范缩减为3种，根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分

  • Discarding状态：不转发用户流量也不学习MAC地址
  • Learning状态：不转发用户流量但是学习MAC地址
  • Forwarding状态：既转发用户流量又学习MAC地址

（3）改进点3：RST  BPDU

<1> RSTP的配置BPDU充分利用了STP报文中的Flag字段，明确了端口角色

<2> 除了保证和STP格式基本一致之外，RSTP做了如下变化：

  • type字段：配置BPDU类型不再是0而是2，所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃
  • flag字段：使用了原来保留的中间6位，这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU

<3> RST BPDU的报文格式

<4> RST BPDU与STP配置和BPDU报文格式的不同点。包括：BPDU类型和Flag字段

1> BPDU类型，1 Byte，RST BPDU的类性质为0x02

2> 标志，1 Byte，包括：

bit 7：TCA，表示拓扑变化确认
bit 6： Agreement，表示同意，用于P/A机制;. bit 5: Forwarding，表示转发状态
bit 4：Learning，表示学习状态
bit 3和bit2：表示端口角色，00表示未知端口，01表示替代或备份端口，10表示根端 口，11表示指定端口
bit 1： Proposal，表示提议，用于P/A机制;. bit 0: TC，表示拓扑变化。

（4）改进点4：配置BPDU的处理

（5）改进点5：快速收敛机制

注意：这个P/A机制是RSTP完成快速收敛的核心手段，因为他改变了STP依照计时器收敛的方法，可以理解为完成选举后立即切换状态，完成收敛。

  • 事实上对于STP，指定端口的选择可以很快完成，主要的速度瓶颈在于:为了避免环路，必须等待足够长的时间，使全网的端口状态全部确定，也就是说必须要等待至少一个ForwardDelay所有端口才能进行转发
  • 而RSTP的主要目的就是消除这个瓶颈，通过阻塞自己的非根端口来保证不会出现环路。而使用P/A机制加快了上游端口进入Forwarding状态的速度

（6）改进点6：拓扑变更机制

<1> 在STP中，如果拓扑发生了变化，需要先向根桥传递TCN BPDU，在由根桥来通知拓扑变更，泛洪TC置为的配置BPDU

<2> 在RSTP中，通过新的拓扑变更机制，TC置位的RST BPDU会快速的在网络中泛洪

（7）改进点7：保护功能

<1> BPDU保护

在交换设备上，通常将直接与用户终端（如PC机)或文件服务器等非交换设备相连的端口 配置为边缘端口。

如上图所示：

  • sw3与某主机互联，并设置该互联端口为边缘端口。
  • 后来该主机被恶意用户侵占，并伪造RST BPDU攻击SW3，因此边缘端口会收到RST BPDU，失去边缘端口特性，并进行生成树计算

<2> 根保护

由于维护人员的错误配置或网络中的恶意攻击，根桥有可能会收到优先级更高的RST BPDU,使得根 桥失去根地位，从而引起网络拓扑结构的错误变动。这种拓扑变化，会导致原来应该通过高速链路 的流量被牵引到低速链路上，造成网络拥塞。

如图所示：

  • 网络稳定时，SW1为根桥，向下游设备发送最优RST BPDU。
  • 如果SW2被恶意用户侵占，例如恶意修改SW2的桥优先级，使得SW2的桥优先级优于sw1，此时SW2会主动发送自己的RST BPDU。
  • 当SW1的指定端口收到该RST BPDU后，会重新进行生成树计算，而SW1也会失去根桥的地位，引起拓扑变动。

<3> 环路保护

在运行RSTP的网络中，根端口状态是依靠不断接收来自上游交换设备的RSTBPDU维持。当由于链 路拥塞或者单向链路故障导致根端口收不到来自上游交换设备的RST BPDU时，此时交换设备会重 新选择根端口。

如图所示：

当SW1和SW3之间的链路发生单向链路故障时，SW3由于根端口在超时时间内收不到来 自上游设备的BPDU报文，Alternate端口切换成根端口，根端口切换成指定端口，从而形成了环 路。

<4> 防TC-BPDU攻击

交换设备在接收到TC置位的RST BPDU报文后，会执行MAC地址表项的删除操作。如果有人伪造TC置位的RST BPDU报文恶意攻击交换设备时，交换设备短时间内会收到很多RST BPDU报文，频繁的删除操作会给设备造成很大的负担，给网络的稳定带来很大隐患。

如图所示：

如果SW3被恶意用户侵占，伪造大量TC置位的RST BPDU并向外发送。SW2收到这些RST BPDU后，会频繁执行MAC地址表项的删除操作，形成巨大负担。

5.生成树实验

（1）接入层

[sw1]vlan 2
[sw1-vlan2]q
[sw1]port-group group-member g0/0/3 g0/0/4	
[sw1-port-group]port link-type access 
[sw1-GigabitEthernet0/0/3]port link-type access 
[sw1-GigabitEthernet0/0/4]port link-type access 
[sw1-port-group]port default vlan 2
[sw1-GigabitEthernet0/0/3]port default vlan 2
[sw1-GigabitEthernet0/0/4]port default vlan 2
[sw1]int g0/0/1
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 	
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 2
[sw1-GigabitEthernet0/0/1]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw1]int g0/0/2
[sw1-GigabitEthernet0/0/2] port link-type trunk
[sw1-GigabitEthernet0/0/2] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw1-GigabitEthernet0/0/2] port trunk allow-pass vlan 2
[sw2]vlan batch 3 to 4
[sw2]int g0/0/3
[sw2-GigabitEthernet0/0/3]port link-type access 	
[sw2-GigabitEthernet0/0/3]port default vlan 3
[sw2]int g0/0/4
[sw2-GigabitEthernet0/0/4]port link-type access 	
[sw2-GigabitEthernet0/0/4]port default vlan 4
[sw2]int g0/0/1
[sw2-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
[sw2-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 3 4
[sw2-GigabitEthernet0/0/1]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw2]int g0/0/2
[sw2-GigabitEthernet0/0/2] port link-type trunk
[sw2-GigabitEthernet0/0/2] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw2-GigabitEthernet0/0/2] port trunk allow-pass vlan 3 to 4

（2）汇聚层

[sw3]vlan batch 2 to 4
[sw3]vlan 100
[sw3-vlan100]q
[sw3]int g0/0/5
[sw3-GigabitEthernet0/0/5]port link-type trunk 
[sw3-GigabitEthernet0/0/5]port trunk allow-pass vlan 2
[sw3-GigabitEthernet0/0/5]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw3]int g0/0/4
[sw3-GigabitEthernet0/0/4]port link-type trunk 
[sw3-GigabitEthernet0/0/4]port trunk allow-pass vlan 3 4
[sw3-GigabitEthernet0/0/4]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw3]port-group group-member g0/0/2 g0/0/3
[sw3-port-group]port link-type trunk
[sw3-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk
[sw3-GigabitEthernet0/0/3]port link-type trunk
[sw3-port-group] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw3-GigabitEthernet0/0/2] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw3-GigabitEthernet0/0/3] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw3-port-group] port trunk allow-pass vlan 2 to 4
[sw3-GigabitEthernet0/0/2] port trunk allow-pass vlan 2 to 4
[sw3-GigabitEthernet0/0/3] port trunk allow-pass vlan 2 to 4
[sw3]dhcp enable
[sw3]int vlan 100
[sw3-Vlanif100]ip add 10.1.1.1 24
[sw3-Vlanif100]dhcp select interface 
[sw3]int g0/0/1
[sw3-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
[sw3-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 100
[sw3-GigabitEthernet0/0/1]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw4]vlan batch 2 to 4
[sw4]vlan 100
[sw4-vlan200]q
[sw4]int g0/0/4
[sw4-GigabitEthernet0/0/4] port link-type trunk
[sw4-GigabitEthernet0/0/4] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw4-GigabitEthernet0/0/4] port trunk allow-pass vlan 2
[sw4]int g0/0/5
[sw4-GigabitEthernet0/0/5] port link-type trunk
[sw4-GigabitEthernet0/0/5] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw4-GigabitEthernet0/0/5] port trunk allow-pass vlan 3 to 4
[sw4]port-group group-member g0/0/2 g0/0/3
[sw4-port-group]port link-type trunk
[sw4-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk
[sw4-GigabitEthernet0/0/3]port link-type trunk
[sw4-port-group]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw4-GigabitEthernet0/0/2]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw4-GigabitEthernet0/0/3]undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw4-port-group]port trunk allow-pass vlan 2 to 4
[sw4-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 2 to 4
[sw4-GigabitEthernet0/0/3]port trunk allow-pass vlan 2 to 4
[sw4]dhcp enable 
[sw4]int vlan 200
[sw4-Vlanif200]ip add 10.1.2.1 24
[sw4-Vlanif200]dhcp select interface
[sw4]int g0/0/1
[sw4-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
[sw4-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 200
[sw4-GigabitEthernet0/0/1]undo port trunk allow-pass vlan 1

（3）核心层

[sw5]vlan 100
[sw5-vlan100]q
[sw5]vlan 200
[sw5-vlan200]q
[sw5]int vlan 100
[sw5-Vlanif100]ip add 10.1.1.2 24
[sw5]int vlan 200
[sw5-Vlanif200]ip add 10.1.2.2 24
[sw5]int g0/0/1
[sw5-GigabitEthernet0/0/1] port link-type trunk
[sw5-GigabitEthernet0/0/1] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw5-GigabitEthernet0/0/1] port trunk allow-pass vlan 100
[sw5]int g0/0/2
[sw5-GigabitEthernet0/0/2] port link-type trunk
[sw5-GigabitEthernet0/0/2] undo port trunk allow-pass vlan 1
[sw5-GigabitEthernet0/0/2] port trunk allow-pass vlan 200

（4）配置生成树

[sw3]stp mode stp ---配置生成树的工作模式
[sw4]stp mode stp 
[sw2]stp mode stp 
[sw1]stp mode stp 
[sw3]stp root primary ---配置当前设备为根桥
[sw4]stp root secondary ---配置当前交换机为备份根桥

由于默认所有接口都要参与生成树，所以将SW3和SW4的G0/0/1接口的生成树关闭，也将连接PC机接口的生成树关闭

[sw3]int g0/0/1
[sw3-GigabitEthernet0/0/1]undo stp enable---关闭接口的生成树
[sw4]int g0/0/1	
[sw4-GigabitEthernet0/0/1]undo stp enable
[sw1]int g0/0/3
[sw1-GigabitEthernet0/0/3]undo stp enable
[sw1]int g0/0/4
[sw1-GigabitEthernet0/0/4]undo stp enable
[sw2]int g0/0/3
[sw2-GigabitEthernet0/0/3]undo stp enable
[sw2]int g0/0/4
[sw2-GigabitEthernet0/0/4]undo stp enable

查看SW1和SW2的端口状态

查看SW4的端口状态

（5）将根端口修改为g0/0/4

  • 修改RPC
[sw4]int g0/0/3---在根桥收到的接口上修改RPC
[sw4-GigabitEthernet0/0/3]stp cost 1---将RPC修改为1

查看SW4的端口状态

  • 修改PID
[sw3]int g0/0/3---在根桥发送接口上修改PID
[sw3-GigabitEthernet0/0/3]stp port priority 0---将PID修改为1（默认步长为16的倍数）

查看SW4的端口状态

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