HCIA笔记5--STP协议

2024-12-01 07:03:50

1. 目的

（1）破除环路
（2）备份链路
环路会带来广播风暴的问题

1.1 广播风暴

我们将交换机A B C的stp协议给关掉，用PC1去ping PC2会发现超时。在三个交换机间的任一点去抓包，会发现一直都是arp request广播报文和响应，它们占满了整个网络，使得交换机无法处理其他的请求了。

另外由于arp request的报文充斥整个网络，交换机A的mac-port表也会断的跳变。也就是mac地址表的断振荡。例如从A的2口发出的包，可能经过一圈又从1口回来，这样源mac对应的端口会一真不断的变化。

而这都是因为二层网络中有环路。
A->B->C->A
A->B->B->A

2. STP选举流程

开启stp协议的交换机会通过BPDU报文来进行交互。
根桥交换机负责发送BPDU报文，其他交换机负责转发它的报文。

2.1 选举根桥

桥ID唯一标识一台交换机；它由桥优先级和交换机mac组成。

选举原则：

先比较桥优先级，数值越小越优先；
相同优先级比较交换级mac, mac越小越优先。

桥优先级：0~61440, 步长为4096;默认32768

为什么要有桥优先级？人为可控根桥的选举，比如让性能更好的交换机作为根桥。

2.2 根端口选举

根端口简称RP(Root Port)

根端口在每个非根桥交换机上都有一个。
作用：用来接收根桥发送的BPDU
选举原则：

首先比较RPC(Root path cost), 根路径开销；根路径开销越小的越优先。
如果RPC相同，则比较上游桥ID优先级；
如果上游桥ID优先级相同，则比较上游端口ID；

端口 ID由端口优先级和端口号组成，端口优先级范围0~240, 步长为16,默认128, 数值越小越优先。

2.3 指定端口选举

指定端口简称DP(Designated Port), 用来转发根桥发送过来的BPDU报文。
在每条链路上都有一个DP。

选举原则：

首先比较链路上RPC的开销，选择RPC小的作为DP
如果RPC相同，则比较上游交换机的桥ID

2.4 阻塞端口选举

既不是RP,又不是DP的端口，就是阻塞端口。
阻塞端口简称为AP(:Alternate Port)。

RP端口的对端口一般都是DP端口，因为需要有口转发根桥发来的BPDU报文。

根桥的所有端口一般都是DP端口。

一个简单的端口选举示意图：

3. stp的端口状态

3.1 五种状态

disable: 交换机未开启stp协议或者断电
blocking:阻塞状态，只能接收BPDU报文，不能转发BPDU报文，不能生成mac地址表，不能转发用户流量。AP端口的最终状态。
listening:侦听状态，能接收BPDU, 能转发BPDU, 不能生成mac地址表，不能转发用户数据；等待15s。
learning: 学习状态，能接收BPDU,能转发BPDU,能生成mac地址表，不能转发用户数据；等待15s。
forwarding: 转发状态，能接收BPDU, 能转发BPDU,能生成mac地址表，能转发用户数据。DP端口和RP端口的最终状态。

3.2 状态转移图

(1)端口开启了STP或通电，会从Disabled状态进入到Blocking状态。
(2) 端口被选举为根端口或指定端口，会进入Listening状态。
(3) 端口的Forward Delay定时器超时，会进入Learning/Forwarding状态。
(4) 端口不再是根端口(RP)或指定端口(AP)时，会进入Blocking状态

4. STP故障解决

BPDU报文中有两个时间。
一个是hello时间，是根桥向非根桥发送BPDU的时间。
另外一个是Max age时间，这个是非根桥的BPDU老化时间。如果在这个时间段内没有收到根桥发来的BPDU报文，该交换机就会重新进行根桥选举。

4.1 根桥故障

根桥故障又分为端口有电和端口无电无电两种情况。

对于端口有电的情况：
a) SW4的e0/0/1口与SW5的e0/0/2还能保存根桥发送的BPDU报文
b) 等待Maxage =20s 后， SW4与SW5重新选举根桥，它们之间互相发送BPDU报文，新的根桥为SW4。
d) SW5成为非根桥端口， SW5有e0/0/1口由AP转为RP口，这个过程需要等待30s
因此端口有电的根桥故障，总共需要等待50s。
对于端口无电的情况：
a) SW4的e0/0/1口与SW5的e0/0/2不能保存根桥发送的BPDU报文
b) SW4 SW5意识到RP端口断电， SW4与SW5立刻重新选举根桥，它们之间互相发送BPDU报文，新的根桥为SW4。
d) SW5成为非根桥端口， SW5有e0/0/1口由AP转为RP口，这个过程需要等待30s
因此端口无电的根桥故障，总共需要等待30s。

4.2 直连故障

假设此时SW3为根桥，SW3和SW4之间有两条链路。假设此时SW3的e0/0/1口链路故障导致断电，因此SW4就没有了RP口；SW4会选举新的RP口为e0/0/3。e0/0/3此时为AP口，从AP口切换为RP口需要30s。

4.3 非直连故障

假设此时SWB与SWA的链路发生断电链路故障
a) SWB会立刻从e0/0/2口发出BPDU进行根桥选举。
b) SWC的e0/0/2口接收到SWB的BPDU报文，发现该报文并非最优BPDU报文。SWB等待MaxAge=20s来获得最优BPDU报文
c) Maxage=20s后，SWB仍然未收到最优BPDU报文；SWB的e0/0/2口从AP口切换为DP口；而这需要30s中进行切换。

因此总的等待时间为20s+30s=50s。

4.4 拓扑改变导致mac表错误

如图所示，PC1发给PC2的数据是经由SWA发出来的。
此时SWB的mac表为:

e0/0/1 mac_PC2
e0/0/3 mac_PC1

假设此时SWA和SWC之间的链路断了，PC1发向PC2的本来应该走SWB SWC之间的链路。但根据SWB的mac表，仍然走SWA,因此无法到达PC2。

如果 PC2主动向PC1发送报文，当然可以更新SWB的mac表，但是PC2可能出现无法发数据的情况。

如果等待mac表项的删除更新，则需要等待300s,这无疑太漫长了。

因此stp协协议需要同时更新mac表项。

STP拓扑变化时mac表项变化

TCN: Topo change Notification

a) SWC的e0/0/1端口断电，SWC立即意识到拓扑发生变化
b) SWB收到TCN后回应确认报文TCA给SWC
c) SWB向根桥SWA发送TCN报文
d)SWA向SWB发送TC报文
e) SWB向SWC 转发根桥的TC报文

交换机在收到TC报文后，会立即更新mac表项老化时间为15s。

5. STP配置

5.1 详细信息

-------[CIST Global Info][Mode MSTP]-------
# mode stp模式
CIST Bridge         :32768.4c1f-cc15-3e6b
#桥ID: 桥优先级+mac
Config Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
# Hello: 根桥发送配置BPDU的时间
# MaxAge:非根桥的最大老化时间
# FwdDly: 转发时延
Active Times        :Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20
CIST Root/ERPC      :32768.4c1f-cc15-3e6b / 0
----[Port1(Ethernet0/0/1)][FORWARDING]----
 Port Protocol       :Enabled
 # 协议启用
 Port Role           :Designated Port
 # 端口类型：DP
 Port Priority       :128
 # 端口优先级
 Port Cost(Dot1T )   :Config=auto / Active=200000
 Designated Bridge/Port   :32768.4c1f-cc15-3e6b / 128.1

5.2 配置命令

stp mode stp
stp priority 4096
display stp brief
stp timer forward-delay 
stp port priority
stp path-standard

6. STP报文分类

tcn BPDU ：topo change notification, 拓扑变化BPDU。
conf BPDU: 根桥发送的配置BPDU
- TCA:1： TCA BPDU
- TC:1: TC BPDU

7. STP的劣势

STP协议会有阻塞端口，会浪费链路带宽。
数据中心就不用，数据中心一般用链路聚合+堆叠。

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