27-交换机，STP
1.STP（Spanning Tree Protocol生成树协议）的技术背景：
1）关于环路：
例如，下面三个交换机互相连接，可能会导致环路（数据包从lsw1-lsw2-lsw3-lsw1-lsw2-...，一直发停不下来）
路由器有避免环路的机制，例如ttl，最大转发16次后丢包；
但交换机没有这种机制；
STP技术就是用来避免交换机环路的；
![]()
2）二层网络设计的需求和问题：
![]()
为了提高可靠性、避免单点故障的产生，通常在设计拓扑图时，会添加一个冗余的交换机；
当其中一条链路挂掉后，另外一条还能继续使用，网络不会瘫痪；
但这样设计可能会导致环路的产生，如下图红色和蓝色的路线，数据包可能会在三个交换机之间一直传递下去；
3）环路问题的后果：
网络体验差、延迟高、丢包
极大占用链路带宽资源和设备资源，造成大量的垃圾流量
网络广播风暴
MAC地址表项不稳定
重复的帧拷贝
1】广播风暴
如下图，主机A给主机B发送消息；
首先A不知道B的mac地址，于是发送一个arp包；
如果三个交换机都关闭了stp（命令：stp disable）
将导致arp包不停在三个交换机之间循环发送；
导致的结果是：极大消耗设备的资源，导致网络体验变差；
关掉stp后抓包，可以看到一直发送的arp包；
2】mac地址表震荡
交换机总的mac地址表是从接收到的数据帧里面源mac地址来的；
如下图：
主机A的mac地址为xxxx-AA；
A给交换机B发送一条数据帧；
SWB收到后，从数据帧二层以太网头中找到源mac地址，并记录在mac地址表中；
由于是从g0/0/3口收到的数据，mac地址表中会记录下：mac地址xxxx-AA 接口g0/0/3；
如果关闭了stp导致环路后，数据帧会转发到SWC；
SWC会转发给SWB，SWB收到后也会从以太网头中找到源mac，并且在mac地址表记录：mac地址xxx-AA 接口g0/0/2；
由于一条mac地址只能对应一个接口，原来记录的主机A的mac地址表记录被删掉；
当主机A再次给SWB发送消息时，SWB中mac地址表会再次被修改，变成：mac地址xxxx-AA 接口g0/0/3；
用命令查看交换机的mac地址表：dis mac-address
可以看到，由于环路，导致mac地址表中 5489-98f6-4f43对应的接口一直变来变去；
![]()
2.STP的作用：
如图，stp通过阻断SWC的左接口来达到阻止环路的作用；
也就是说，从swb-swa-swc的消息不会再发回个swb了，因为stp机制导致swc-swb的由于接口被阻断这条线路也断了；
stp在保证阻止环路的同时并不会破坏链路的可靠性，当活动链路出现问题时，会激活备份链路；
比如正常情况下，数据走的是swb-swa-swc；
如果swa挂了，swc的左接口将不再阻塞，从swb发出来的消息会直接转发给swc；
3.STP的作用机制
STP通过构建一颗树来消除交换网络中的环路；
根桥是一台交换机；（一个树形结构有一个根节点）
根端口是非根桥交换机的一个端口；
非根桥交换机会从它的众多端口中选举出一个根端口，从根桥过来的流量就走根端口；
非根桥交换机的剩余端口将被阻塞，从而防止环路的产生；
1）BPDU：Bridge Protocol Data Unit 桥协议数据单元（桥就是交换机）
STP协议的数据包称为BPDU；
叫桥是因为当时的交换技术叫网桥，stp是哪个年代的产物于是也名字中有桥；
开启了stp的交换机会周期性的发送STP数据包；
使用组播地址：01-80-C2-00-00-00
![]()
如图：BPDU的字段，stp就是靠这些字段来完成选举的；
1】PID：STP的类型
有三种类型：STP、RSTP、MSTP
2】PVI：版本
华为交换机有三种模式：STP、RSTP、MSTP
默认开启stp，默认模式为mstp
![]()
3】BPDU Type：BPDU 的数据包类型
有两种类型：配置类型configuration、拓扑变更通告TCN（Topology Change Notification）
拓扑变更BPDU的数据包结构 ：
4】Flags：标记
占一个字节8位，每一位表示不同的意思；
如果模式是STP，则只是用了最高为和最低位，用于确认TCN
![]()
如果模式是MSTP，则8位都使用；
![]()
4.BPDU中选举桥角色和端口状态的4个字段
1）桥id：Bridge identifier
告诉其它交换机我是谁；
查看桥id的命令：dis stp
![]()
桥id的结构为：数字.mac
优先级比较时：从高位比较再到低位（先比优先级，一样则比mac地址）；值越小越优先。
2）端口id：Port Identifier
查看命令：dis stp
![]()
可以看到交换机lsw1的g0/0/1端口的id=128.25
端口id的结构：优先级.编号
比较优先级时：从高位比较再到低位（先比优先级，一样则比较端口编号）；值越小越优先
端口编号与实际接口无关，是一个流水号
3）根路径开销：Root Path Cost
表示我到根桥有多远；
查看命令：dis stp
![]()
根路劲开销Root Path Cost是路径开销path cost累加起来的结果
链路的开销标准：
华为的交换机有三种开销标准：dot1d-1988（d标准）、dot1t（默认，t标准）、legacy（华为私有）；
![]()
如下表：
按照t标准，1000Mbps口的cost=20000
如果两条1000Mbps链路聚合，则cost = 10000（链路聚合后带宽增加，开销减少）
三条1000Mbps链路聚合，cost = 6666
100Mbps口的cost=200000
（华为设备所支持的链路开销标准，使用链路聚合的开销=开销标准/链路数量）
计算根路径开销的示例：（这里使用d标准）
（从根桥发出的开销为0，在根据自己所有收到的接口到根桥的开销相加，取最小的开销值，就是根路径开销）
如上图：
sw1是根桥（根交换机），sw1发送的BPDU中，字段Root Path Cost = 0；（我到我自己是0）
BPDU数据到被sw2接收，sw2的左接口是100Mbps链路，按b标准查表得path cost=19；根路径开销Root Path Cost = 0 + 19 = 19；
sw2将BPDU的一些字段做修改，然后从另一个接口转发出去；转发出去的BPDU中根路径开销Root Path Cost = 19；
sw3的左接口是10Mbps带宽，按b标准 path cost=100；所以sw3的根路径开销 Root Path Cost = 19 + 100 =119；
Root Path Cost中记录的是当前交换机到根交换机最短的开销，如果到达指定交换机有多条路径，则选开销最小的；这关系到交换机转发时的选路；
- 为了提高可靠性，交换机之间会通过多条链路相连，从而避免单点故障。
- 但也会带来一些致命的环路问题。
| 功能 | 备注 |
| 消除环路 | 通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路 |
| 链路备份 | 当正常工作的链路出现问题，激活备份链路，及时恢复网络连通性 |
- 配置BPDU：configuration
- 选举根交换机以及确定每个交换机的角色和状态。（用来选举根桥）
- 在初始过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。
- 在网络拓扑稳定后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。（根桥选出来后）
- 发送周期为Hello Time。（默认值为2，2秒发一次）
- 老化时间为Max Age。
- 拓扑变更通告BPDU：TCN BPDU
| 参数 | 描述 |
| Root ldentifier | 发送此配置BPDU的交换机所认为的根交换机的标识 |
| Root Path Cost | 从接收此根桥的配置BPDU的交换机到达根交换机的最短路径总开销 |
| Bridge identifier | 标识自己的BID |
| Port Identifier | 发送此配置BPDU的交换机端口的端口标识 |