第九章 STP生成树
9.1 生成树的工作原理
- 选举一个根桥（根交换机）
- 每一个非根桥上选举一个根端口（去往根桥最近的端口）
- 在每一个链路上选举一个指定端口（向树的下游转发数据）
- 阻塞剩余的非根端口，非指定端口。
9.2 基本概念
- 根桥：生成树的树根
- 通过比较桥ID（称为BID），选择所有的相连二层设备中的桥 ID，越小越优
- 桥ID：由桥优先级（16bit）和桥MAC地址（48bit）组成（先比较桥优先级，再比较桥MAC地址）
- 桥优先级16bit中，仅高4bit位有效，高四位没变化一次，是一个新的优先级。即桥优先级的步长是4096，默认值是32768。
- Cost值：每一个启用生成树的接口维护一个STP Cost值，具体默认Cost值与接口的工作模式，带宽大小相关，带宽越大，Cost值越小。
- RPC（根路径开销）：从本设备的接口到达根桥沿途的出接口的开销值之和。
- PID（接口ID）：接口优先级和接口编号组成，高4bit位为接口优先级，默认128；低12bit位为接口编号。接口优先级的步长16。
- BPDU（桥协议数据单元）：交换机通过交互BPDU携带必要参数，完成STP的选举过程。配置BPDU、TCN BPDU
9.3 BPDU报文的内容
按照三个区域记忆：
- 报文本身的参数：PID（Protocol ID）、PVID、BPDU type、Flags
- 选举参数：Root ID、RPC、BID、PID（port ID）
- 时间参数：消息寿命、Max Age、Hello time、Forward Delay
9.4 BPDU的传递
9.5 STP的端口角色
- RP端口（root port）：根端口，非根交换机上距离根桥最近的端口（非根交换机上所有接口中收到最优BPDU的接口），连接根桥方向（上游）的端口
- DP端口（Design port）：指定端口，连接下游交换机的端口。
- AP端口（Alternate port）：去往根桥方向（上游）的RP端口的备份端口，代表去往根桥的另一路径。
9.6 STP的端口状态
|---------|---------|----------|-----------|----------|------------|
| 接口状态 | Disable | Blocking | Listening | Learning | Forwarding |
| 收发BPDU | × | 接受不发 | √ | √ | √ |
| 学习MAC地址 | × | × | × | √ | √ |
| 转发业务 | × | × | × | 只接不转发 | √ |
状态切换：
- 设备的所有接口开始的时候都是DP角色，Blocking状态
- 接口状态由Blocking状态自动切换为Listening状态，开始收发BPDU
- 如果设备DP端口经过选举之后成为AP接口，则端口状态切换为Blocking状态。
- 时间推移，如果DP端口没有被选举为AP端口，则经过Forwarding Delay时间（转发延迟时间15s）后，状态由Listening状态切换为Learning状态（15s预留给拓扑收敛的）
- 时间推移，DP端口没有被选举为AP端口，则再次经过Forwarding Delay时间（转发延迟时间15s）后，状态由Learning切换为Forwarding状态。（15s，预留给MAC地址学习的，避免学习到错误的MAC地址。）
9.7 STP故障恢复
- 根桥故障：非根桥需要老化根桥的BPDU（20s），需要重新选举根桥，接口状态切换为转发状态（2转发延迟=30s），最终需要50s恢复。
- 直连故障：设备仍然能接收到根桥的BPDU，不需要进行BPDU老化，只需要切换AP接口到RP，经过2个转发延迟时间（30s），进入到转发状态。
- 非直连故障：设备无法收到根桥的的BPDU，也没有AP作为RP的备份，此时，原RP端口故障，则需要等待20sBPDU老化时间，以及状态切换后重新选举接口角色重新确定后，进入到转发状态的时间（2个转发延迟时间）。总共50s左右。
9.8 STP拓扑变更机制
拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：
- SW3感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SW2发送TCN BPDU报文。
- SW2收到SW3发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SW3，告知SW3停止发送TCN BPDU报文。
- SW2向根桥转发TCN BPDU报文。
- SW1把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300 s修改为Forward Delay的时间（默认为15 s）。
最多等待15 s之后，SW2中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SW2就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。
