一、生成树协议

1、什么是生成树？

        在一个二层交换网络中，生成一棵树形结构，逻辑的阻塞部分接口，使得从根到所有的节点仅存在唯一的路径；当最佳路径发生故障时，交换机根据内置算法自动打开部分阻塞端口，来实现线路备份的作用
        生成树在生成过程中，应该尽量的生成一棵星形结构，即最短路径树
        生成树存在算法：802.1D、PVST、PVST+(Cisco)、RSTP(802.1w)、MSTP(802.1S)

2、为什么要用到生成树？

在企业网三层架构中，通常为了网络的稳定，我们需要配置链路备份，也可以理解为线路冗余，但在线路冗余的过程中，由于更多的线路，可能会导致二层桥接环路的产生,这个时候就需要我们想办法来防止环路的产生，而生成树协议无疑是交换机防环最好的选择。

3、二层线路冗余容易导致的问题

        1、广播风暴
        2、MAC地址表翻滚
        3、同一数据帧的重复拷贝
        4、以上3个条件最终导致设备工作过载，导致重启保护（宕机）

二、802.1D

1）（一个交换网络内仅存在一棵生成树实例；）

1、交换机之间使用BPDU—桥协议数据单元；（交换机间沟通互动收发的数据）

在这里插入图片描述
2、配置BPDU—只有根网桥可以发送，在交换网络初始状态时，所有交换机均定义本地为根网桥，进行BPDU的发送；使得网络中所有交换机均收到其他设备的BPDU，之后基于BPDU中的参数进行比对，选举出根网桥；再所有的非根网桥不在发送BPDU，而是仅接收和转发根网桥的BPDU；周期2s发送；hold time 20s；

3、TCN—拓扑变更消息（也是BPDU）：本地交换机链路故障后，STP重新收敛，为了快速刷新全网所有交换机的CAM表，将向本地所有STP接口发送TCN（标记为中的TCN位置为1），邻居交换机收到TCN后，先标记为ACK位回复，用于可靠传输消息；之后将TCN逐级转发到根网桥处，由根网桥回复TCN消息来逐级回复到所有交换机；使所有交换机临时将MAC表的老化时间修改为15s（默认的，转发延时）
在这里插入图片描述

2）选举 — 根网桥、根端口、指定端口、非指定端口（阻塞端口）

        1、根网桥—在一棵生成树实例中，有且只有一台交换机为root；
                由BPDU中的桥ID来决定（桥ID = 网桥优先级（0-65535公有）默认32768 + MAC地址（只有存在svi接口的交换机才拥有mac地址，若存在多个mac选数值最小））
                根网桥的选举规则：先比较优先级，数值小优；若优先级相同，比较mac，数值小优；

        2、根端口—在每台非根网桥上，有且只有一个接口；本地离根网桥最近的接口（最短、星型），接受来自根网桥的BPDU，转发用户的流量（该接口不阻塞）
                根端口的选举规则：
                        1、比较从根网桥发出后，通过该接口进入时最小的cost值；
                        2、入向cost值相同，比较该接口对端设备的BID，小优；
                        3、对端BID也相同，比较该接口对端设备的接口的PID；先优先级小优，若优先级一致，编号小优；
                        4、连对端PID也相同，比较本地PID，小优。
                PID = 端口ID 接口优先级（0-240，步长16，默认128）接口编号

        3、指定端口—在每一段存在STP的物理链路上，有且只有一个；转发来自根网桥的BPDU，同时可以转发用户流量（不阻塞）；默认根网桥上所有接口为指定端口；
                指定端口的选举规则：
                        1、比较从根网桥出发后，通过该接口进入这段链路时的cost值最小（出向）
                        2、若出向cost值相同，比较本地的BID，小优；
                        3、本地BID相同，比较本地的PID；
                        4、本地PID相同，直接阻塞该端口。
        4、非指定端口（阻塞端口）—当以上所有角色全部选举完成后，剩余没有任何角色的接口为非指定；该接口逻辑阻塞，实际可以接收到消息，但不转发；

cost值：
在这里插入图片描述
在生成树协议中，至少应该将根网桥干涉到汇聚层处

3）接口状态

        1、down：没有BPDU收发，一旦可以进行BPDU收发进入下一状态
        2、倾听：强制15s，所有交换机进行BPDU收发，选举所有角色；接口角色为非指定端口直接进入阻塞状态；若为指定端口和根端口进入下一状态；
        3、学习：强制15s，指定端口和根端口学习所有接口连接设备的MAC地址，生成MAC表，之后进入下一状态；
        4、转发：指定端口和根端口可以进入，可以转发用户报文；
        5、阻塞：逻辑阻塞；
        注：只有到接口进入转发状态后，才能为用户转发数据报文，之前的30s不能转发任何数据；

4）收敛时间

初次收敛 — 30s = 15s倾听 + 15s学习

5）结构变化

存在直连检测：本地存在阻塞端口，若其他端口断开，该阻塞端口马上进入15是倾听（选举）；结果若为启用，那么将再进入15s学习 — 总 30s
没有直连检测：本地不存在阻塞端口，若某个端口断开，将发送次优BPDU（以本地为根）给其他邻居交换机，其他交换机无视该数据，进行20s hold time计时，到时时该阻塞接口进入15s倾听，15s学习 = 总 50s

6）802.1D缺点

1、收敛慢
2、链路利用率低

7）802.1配置命令

[sw1]stp mode stp 修改为802.1d算法，当下华为默认为MSTP；
[sw1]stp priority 4096 修改网桥优先级

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? 修改接口cost值
INTEGER<1-200000000> Port path cost

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? 修改接口优先级
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

三、PVST（Cisco私有）—基于VLAN的生成树协议

        在每个vlan内，存在一棵树，每个树的工作原理同802.1d一致，不同vlan的BPDU区别在于优先级；
        优先级 = 4096 倍数 + vlan id ，人为仅可修改为4096的整数倍数；
        仅支持 Trunk干道封装为ISL（Cisco私有封装）

四、PVST+

        1）在PVST的基础上，兼容802.1q的trunk封装，且设计了部分的加速；
                1、端口加速 — 连接PC端
                2、上行链路加速 — 针对直连检测在所有接入层设备上配置
                3、骨干加速 — 所有交换机上配置

        2）PVST+的优缺点
                1、优点：兼容802.1Q的Trunk干道；可以进行部分加速
                2、缺点：树多（仅Cisco做了独立芯片，友商无法负荷）；收敛慢（加速不够彻底）

五、快速生成树

    1）Cisco的RSTP — 基于vlan的快速生成树（一个vlan一棵树；PVST+的升级）
    2）公有RSTP（802.1w） — 整个交换网络一棵树 802.1d的升级
    3）快速的原理：
        1、取消了计时器，而是在一个状态工作完成后，直接进入下一状态；
        2、分段式同步，两台设备间逐级收敛；使用请求和同步标记，依赖标记位的第一位和第六位；
        3、BPDU的保活为6s，hello time 2s；
        4、集成了端口加速（边缘接口），上下链路加速和骨干加速；
        5、兼容802.1d和PVST，但802.1d和PVST没有使用标记位中的1-6位，故不能快速收敛；因此如果网络中有一台设备不支持快速收敛，那么其他开启快速收敛的设备也不能快速收敛；
        注：当TCN消息出现时，不再需要等待根网桥的BPDU，就可以刷新本地的CAM表；
        切记：接口默认为半双工时，即便允许RSTP，依然基于慢速的802.1D算法来收敛
    4)配置
        [sw1]stp mode rstp
        边缘接口—用于连接PC的接口，一旦被设定为边缘接口；将不再进行BPDU的发送，且不进行STP的收敛，直接为转发状态；但若该接口收到了对端的BPDU，将失去边缘特性，重新正常收敛；
        [sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1
        [sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable

[sw1]stp priority ? 修改网桥优先级
INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

        [sw1]stp root ? 快速定义根网桥角色
         primary Primary root switch
         secondary Secondary root switch

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp port priority ? 修改接口优先级
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp cost ? 修改接口cost
INTEGER<1-200000000> Port path cost

六、MSTP/MST/802.1S — 华为设备默认使用该协议

    1）继承了快速生成树的基础；将多个vlan放置于一个组内，基于每个组一棵生成树；
    2）不同组间的BPDU中优先级 = 4096倍数 + vlan组号
    3）配置
        [r1]stp mode mstp
        默认存在组0，且所有vlan默认处于该组；优先级= 32768+0

        分组
        [sw1]stp enable
        [sw1]stp region-configuration
        [sw1-mst-region]region-name a 所有设备应在一个组内
        [sw1-mst-region]instance 1 vlan 1 to 5
        [sw1-mst-region]instance 2 vlan 6 to 10
        [sw1-mst-region]active region-configuration 激活当前配置（必须配置该指令）

切记：若将创建某个组，但该组内的vlan，在本交换机上没有创建，同时没有为该vlan服务的接口；该组将没有任何信息；整个交换网络中所有设备的分组信息必须完全一致；

        定义本地为组1 的主根，组2 的备份根
        stp instance 1 root primary 优先级修改为0
        stp instance 2 root secondary 优先级修改为4096

[sw1]stp instance 1 priority ?
INTEGER<0-61440> Bridge priority, in steps of 4096

        [sw1]interface GigabitEthernet 0/0/1
        [sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 cost ?
         INTEGER<1-200000000> Port path cost

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp instance 1 port priority ?
INTEGER<0-240> Port priority, in steps of 16

STP生成树协议的发展过程及配置