STP理论基础01-背景及概念

一、 STP出现的背景：
STP 是一个用于局域网中消除环路的协议。运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并适当对某些端口进行阻塞以消除环路。

首先了解环路造成的危害如下：
1.广播风暴
2.MAC地址表震荡
3.网络中的主机会收到重复的数据帧

二、 STP基础概念：
一根桥、两度量、三要素、四比较、五角色；

1、 一根桥：
对于一个 STP 网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。
网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置 BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。

根桥的选举规则：
比较桥ID：越小越优先
桥ID分为两部分：
1.桥优先级（默认为32768）越小越优先
2.MAC地址，越小越优先

2、 两度量：
1）、桥ID（Bridge ID）：
IEEE 802.1D 标准中规定 BID 是由 16 位的桥优先级（Bridge Priority）与桥 MAC 地址构成。 BID 桥优先级占据高 16 位，其余的低 48 位是 MAC 地址。在 STP 网络中，桥 ID 最小的设备会被选举为根桥。
2）、端口ID（Port ID）：
PID 由两部分构成的，高 4 位是端口优先级，低 12 位是端口号。

3、 三要素：
从环形网络拓扑结构到树形结构，总体来说有三个要素：根桥、根端口和指定端口。
1）、根桥 RB（Root Bridge）：
根桥就是网桥 ID 最小的桥，通过交互配置 BPDU 协议报文选出最小的 BID。
2）、根端口 RP（Root Port）：
根端口就是去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据，这个端口的选择标准是依据根路径开销判定。在一个运行 STP 协议的设备上根端口有且只有一个，根桥上没有根端口。
3）、指定端口 DP（Designated Port）：
对一台交换设备而言，它的指定端口是向下游交换设备转发BPDU报文的端口。

注：在拓扑稳定后，只有根端口和指定端口转发流量，其他的非根非指定端口都处于阻塞（Blocking）状态，它们只接收 STP 协议报文而不转发用户流量。

4、 四比较：
STP 选举有四个比较原则，构成消息优先级向量： { 根桥 ID，累计根路径开销，发送设备 BID，发送端口 PID }。
1）、根桥 ID：
每个 STP 网络中有且仅有一个根。
2）、累计根路径开销：
发送配置 BPDU 的端口到根桥的距离，决定了到根桥的路径开销。用来在非根桥上选择根端口。
3）、发送设备 BID：
发送配置 BPDU 的设备的 BID。当一台运行 STP 协议的设备要在两个以上根路径开销相等的端口之中选择根端口时，通过 STP 协议计算，将选择接收到的配置消息中发送者 BID 较小的那个端口。
4）、发送端口 PID：
发出配置 BPDU 的端口的 PID。用于在根路径开销相同的情况下，不阻塞最小 PID 的端口，而是阻塞 PID 值较大的端口。

5、 五角色：
运行STP协议的设备上端口状态有如下五种：
1）、disabled：
没有使能STP或者接口down，端口不仅不处理 BPDU 报文，也不转发用户流量。
2）、listening：
监听状态，确定端口角色，就是一堆选举（选举出根桥、根端口和指定端口）。
3）、learning：
学习状态，设备会根据收到的用户流量构建 MAC 地址表，但不转发用户流量。（防止临时环路）
4）、blocking：
接受并处理收到的BPDU，端口仅仅接收并处理 BPDU，但不转发用户流量。
5）、forwarding：
转发流量，端口既转发用户流量也处理 BPDU 报文。

在STP中，影响端口状态和端口收敛的3个参数；
1）、Hello Time：
运行 STP 协议的设备发送配置消息 BPDU 的时间间隔，用于设备检测链路是否存在故障。设备每隔 Hello Time 时间会向周围的设备发送 hello 报文，以确认链路是否存在故障。
当网络拓扑稳定之后，该计时器的修改只有在根桥修改后才有效。新的根桥会在发出的 BPDU报文中填充适当的字段以向其他非根桥传递该计时器修改的信息。但当拓扑变化之后， TCN BPDU 的发送不受这个计时器的管理。
2）、Forward Delay：
设备状态迁移的延迟时间。链路故障引发生成树的重新计算，新计算得到的配置消息无法立刻传遍整个网络，如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始转发数据，可能造成临时环路。因此，STP 采用了一种状态迁移机制，新选出的根端口和指定端口要经过 2倍的 Forward Delay延时后才能进入转发状态，这个延时保证了新的配置消息传遍整个网络，从而防止了临时环路的产生。
注：Forward Delay Timer 指一个端口处于 Listening 和 Learning 状态的各自持续时间，默认是 15秒。
3）、Max Age：
端口的 BPDU 报文老化时间。
Max Age 通过配置 BPDU 报文的传输，可保证 Max Age 在整网中一致。运行 STP 协议的网络中非根桥设备收到配置 BPDU 报文后，报文中的 Message Age 和 Max Age 会进行比较：
a、如果 Message Age 小于等于 Max Age，则该非根桥设备继续转发配置 BPDU 报文。
b、如果 Message Age 大于 Max Age，则该配置 BPDU 报文将被老化。该非根桥设备直接丢弃该配置 BPDU，可认为网络直径过大，导致根桥连接失败。

注：如果配置 BPDU 是根桥发出的，则 Message Age 为 0。否则， Message Age 是从根桥发送到当前桥接收到 BPDU 的总时间，包括传输延时等。实际实现中，配置 BPDU 报文经过一个桥，Message Age 增加 1。