STP、RSTP、MSTP工作原理及配置---网络通信原理

STP由来

最开始的网络结构简单，PC之间的互通链路只有一条单一的链路，随着网络的不断扩大，单一的链路压力也来越大，任何一个设备或链路出现问题，PC之间都会无法通信

为了避免无法通信问题，往往会在交换机之间增加冗余/备份链路来保证PC之间的通信。

• 数据环路导致广播风暴
• 每条链路都是互通的
• 交换机收到无法识别的数据帧后进行广播，
  
• 数据环路导致广播风暴
  • 广播帧在交换机之间一直循环下去，从而消耗系统资源，降低传输质量
  • 广播帧的不断增多，还会导致设备宕机重启

STP概述

STP-Spanning Tree Protocol（生成树协议）

• 逻辑上断开环路，防止广播风暴的产生。即阻塞某些接口，破除环路
• 当主线路故障，阻塞接口被激活；主线路恢复，备份线路再次阻塞
• 实现物理线路备份
• 实现逻辑无环
  
  STP工作原理

步骤一：确定交换机角色

• 根交换机
• 非根交换机

步骤二：确定端口角色

• 根端口
• 非根端口
• 非指定端口

步骤三：确定端口状态

• 禁用：接口没有启动STP，或者接口处于关闭状态
• 侦听：正在比较STP报文，确定交换机和端口角色
• 学习：正在学MAC地址表、
• 转发：可以正常接收和发送数据包
• 阻塞：阻塞端口，不能转发用户数剧包

确定交换机角色

网桥ID
STP协议为交换机取得名字，用于在交换网络中唯一标识该设备
通过比较每个交换机的BID，来选举根交换机：BID越小越好

根据网桥ID，选择根交换机

确定端口角色

• 选举根端口：每一个非根交换机上，有且只有一个，距离根交换机最近的端口
• 确定指定端口：每一个链路上，有且只有一个，距离根交换机最近的端口
• 最后确定非指定端口：除了根端口和指定端口，剩余所有端口都是非指定端口

端口角色选举规则
首线比较端口到根交换机的开销，越小越好
开销一样，比较端口坐在交换机的BID，越小越好
若BID一样，比较端口的PID，越小越好

---

选举根端口

---

选举指定端口

• 在每个网段上，选择一个指定端口
• 距离根网桥的路径成本开销较小
• 网桥ID较小
• 根交换机上的端口全是指定端口
  

---

选取非指定端口
最后剩下德端口，被阻塞

生成树算法结果

• 最终形成数据‘转发路径’：
• 被阻塞的链路，作为备份链路
  归纳STP工作原理：

• 选择根网桥
  • 网桥ID最小
• 选择根端口（非根网桥）
  -此端口到大根网桥路径成本最低
• 选择指定端口
  • 根网桥上所有端口都是指定端口
  • 此端口所在交换机到达根网桥成本最低
  • 地端口所在交换机网桥ID最小

STP协议通信报文-----BPDU

• Bridge Protocol Data Unit–桥协议数据单元 ，STP协议的报文
• 通过这种报文，STP协议实现了自己所有的功能

BPDU类型

• 配置BPDU
• 拓扑变更通知
  

BPDU选择根网桥

当交换机启动时，会假定自己是根网桥，在向外发送的BPDU中根网桥ID字段填写自己的网桥ID ，当接收到其它交换机发出的BPDU后，比较网桥ID，选择较小的的添加到根网桥ID中。当全网所有的交换机收到全部的BPDU并做比价后，就可以选择出唯一的一个根网桥

STP端口的五种状态

• 禁用（DIsabled）：强制关闭，没有启用STP协议
• 阻塞（Blocking）：只接受BPDU，不能发送BPDU
• 帧听（Listening）：比较BPDU，确定交换机端口和角色
• 学习（Learning）：基于端口上收到的数据帧，学习MAC地址表
• 转发（Forwarding）：端口的最终完美状态，发送和接收用户数据

STP的三种计时器，用于维护STP转发路径以及恢复STP故障链路
Hello时间：一个端口上发送BPDU的时间间隔，默认为2S
转发延时（Forward delay）：端口在转发和学习状态，分别停留的时间
最大老化时间（Max age）：一个端口最大的没有转发BPDU的时间

STP配置命令

默认情况下交换记得STP功能处于开启状态

[Huawei]stp  { enable  | disable }     //开启或关闭STP功能
[Huawei]stp mode  { stp | rstp | mstp }

修改交换机的STP优先级,默认值为32768步长为4096

[Huawei]stp priority 4096

修改端口的 STP cost ,在端口开启/关闭STP功能

[Huawei]interface g0/0/1
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp cost 100
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp {enable | disable}

配置优先级，优先级低的为根交换机，LSW1由非根交换机变为根交换机
根交换机的接口全为指定接口。

RSTP概述

STP存在许多弊端

• 收敛时间慢：30s-50s
• 设备利用率低

RSTP，即Rapid STP，快速生成树协议，在STP的基础上优化而来
RSTP相对于STP优化的部分

	STP	RSTP
端口角色	根端口、指定端口、阻塞端口	根端口、指定端口、替代端口（替代根端口）、备份端口（备份指定端口）
端口状态	禁用disabled、侦听listening、学习learning、转发forwarding、阻塞blocking	失效discarding、学习learning、转发forwarding
改变拓扑机制	会将变化的信息告诉根网桥，根网桥再向全网交换设备通告拓扑变化的信息	直接将变化的信息通告给网络的其他设备
		引入P/A机制–请求确认机制，设备启动时都向对端发送请求，请求自己为根，收到对方的请求信息，发现对方的桥ID比自己小，那么就认为对方为根

---

STP和RSTP存在的弊端
当设备上运行了STP/RSTP，阻塞一个端口，意味着所有的VLAN都不能通过这个阻塞端口转发信息—导致阻塞端口的线路一直空闲，降低设备的使用率

MSTP多实例生成树协议

端口状态：
discarding丢弃，相当于STP中的禁用、侦听、阻塞、不转发用户数据
Learning学习，类比STP中学习状态
Forwarding转发，类比STP中转发状态

MSTP案例

1、配置PC机IP地址
2、创建VLAN
每台叫换机都要配置VLAN 10 20

<Huawei>u t m
Info: Current terminal monitor is off.
<Huawei>system-view 
Enter system view, return user view with Ctrl+Z.
[Huawei]sysname SW2
[SW2]VLAN  batch  10 20 
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW2]

配置Trunk和Access
交换机与交换机之间使用trunk，PC机与交换机使用access

交换机SW1
[SW1]port-group group-member g0/0/1 g0/0/2
[SW1-port-group]port link-type trunk 
[SW1-port-group]port trunk allow-pass vlan all 
[SW1-port-group]

交换机SW2
[SW1]port-group group-member g0/0/1 g0/0/2
[SW1-port-group]port link-type trunk 
[SW1-port-group]port trunk allow-pass vlan all 
[SW1-port-group]
交换机3
......
交换机4
......

将对应接口加入到VLAN中

SW1:
interface GigabitEthernet0/0/10
port link-type access
port default vlan 10
SW2:
interface GigabitEthernet0/0/10
port link-type access
port default vlan 10
SW2:
interface GigabitEthernet0/0/10
port link-type access
port default vlan 20
SW2:
interface GigabitEthernet0/0/10
port link-type access
port default vlan 20
 

MSTP配置：所有交换机一致

stp region-configuration  //进入MSTP 域配
region-name A1   //配置域名A1-一个区域的交换机域名要一致
instance 1 vlan 10   //将vlan10 加入到实例1 （组1）
instance 2 vlan 20   //将vlan20 加入到实例2（组2）
active region-configuration //激活域配

实例的根网桥配置

[SW1]dis stp region-configuration //查看 实例信息 

SW2
[sw2]stp instance 1 priority 4096  //指定实例1 的根 在SW2上 
[SW2]dis stp instance 1 brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   1    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/10       DESI  FORWARDING      NONE
[SW2]


SW3
[sw3]stp instance 2 priority 4096  //指定实例2 的根 在SW3上 

[SW3]dis stp instance 2 brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   2    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/10       DESI  LEARNING        NONE
[SW3]

对于实例1：

对于实例2：