STP 生成樹協定詳解：基本概念、相關術語、訊息格式，學起來！

本期與大家分享STP生成樹協定詳解問答。



一、生成樹協定基本介紹
1. 生成樹的定義與目的
乙太網路交換網路中為了進行鏈路備份，提高網路可靠性，通常會使用冗餘鏈路。但是使用冗餘鏈路會在交換網路上產生環路，引發廣播風暴以及MAC位址表不穩定等故障現象，從而導致用戶通訊品質較差，甚至通訊中斷。

為解決交換網路中的環路問題，提出了生成樹協定STP（Spanning Tree Protocol）。生成樹協定演進如下：

生成樹協定中，MSTP相容於RSTP、STP，RSTP相容於STP。三種生成樹協定的比較如下表所示。



如上圖，在網路中部署STP協議，透過彼此互動資訊發現網路中的環路，並有選擇的對某個連接埠進行阻塞，最終將環形網路結構修剪成無環路的樹形網路結構，從而防止封包在環形網路中不斷增生和無限循環，避免裝置因重複接收相同的封包造成處理能力下降。

二、STP機制原理詳解
1. STP相關概念
STP基本概念如下：



生成樹協議目的：

在乙太網路交換網路中部署生成樹協定後，如果網路中出現環路，生成樹協定透過拓撲運算，可實現：

消除環路：透過阻塞冗餘鏈路來消除網路中可能存在的網路通訊環路。
鏈路備份：當前活動的路徑發生故障時，啟動冗餘備份鏈路，恢復網路連通性。
2. 生成樹協定的應用場景
在一個複雜的網路中，網路規劃者由於冗餘備份的需要，一般都傾向於在設備之間部署多條實體鏈路，其中一條作主用鏈路，其他鏈路作備份。這樣就難免會形成環形網絡，若網絡中存在環路，可能會造成廣播風暴和MAC表項被破壞。



PID：連接埠ID。 PID由兩部分構成的，高4位是連接埠優先權，低12位是埠號。

② 路徑開銷（Path Cost）描述了連接網路的連接埠 的“優劣”，連接埠類型和頻寬決定了該連接埠的路徑開銷，根交換器的根路徑開銷為零。其他交換器收到BPDU後，把報文中的根路徑開銷加上接收埠路徑開銷，得到該埠的「根路徑開銷」（Root Path Cost），根路徑開銷反映了某埠到根交換器的「遠近」。



(1) 一座根橋

樹形的網路結構必須有樹根，於是STP引進了根橋（Root Bridge）概念。

對於一個STP網絡，根橋在全網中只有一個，它是整個網路的邏輯中心，但不一定是實體中心。

(2) 兩種度量

生成樹的產生計算有兩大基本度量依據：ID和路徑開銷。

① ID，再分為：BID（Bridge ID）和PID（Port ID）。

BID：橋ID。 IEEE 802.1D標準中規定BID是由橋優先權（Bridge Priority）與橋MAC位址構成。 BID橋優先權佔據高16位（預設為32768，須為4096的整數倍，範圍0-61440），其餘的低48位是MAC位址。在STP網路中，橋ID最小的設備會被選舉為根橋。



(3) 三要素選舉

從環形網路拓撲結構到樹狀結構，整體來說有三個要素：根橋、根端口和指定端口。

選出一個網橋ID最小（最優）的交換器作為根網橋（Root Bridge）
每個非根交換器選擇一個根端口（Root Port RP），即去往根橋路徑開銷最小的端口
每個交換網段選擇一個除根連接埠以外的轉送連接埠—指定連接埠（Designated Port DP），用於傳送配置BPDU
堵塞其他（非根非指定端口）端口，該端口不轉送業務流量，但會持續接收和偵聽BPDU
(4) 四個比較原則

STP選舉有四個比較原則，構成訊息優先權向量：{ 根橋ID，根路徑開銷，傳送設備BID，傳送埠PID }，即配置BPDU封包的比較如下：


先比較根橋ID，越小越好
如果根橋ID相等，根路徑開銷越小越好
如果根橋ID和根路徑開銷相等，發送設備BID越小越好
如果根橋ID、根路徑開銷和發送設備BID相等，發送連接埠PID越小越好
記住生成樹協定所有優先權比較都是「小優」！

(5) 五種連接埠狀態

運行STP協定的設備上連接埠狀態如下表所示：



2. STP封包格式
STP封包類型有2種：

配置BPDU：通常所說的BPDU封包多數指配置BPDU，它是一種心跳訊息，只要連接埠啟用STP，則配置BPDU就會依照Hello Time定時器規定的時間間隔從指定連接埠發出。
TCN BPDU：在設備偵測到網路拓撲發生變化時才發出，指在下游拓撲發生變化時向上游發送拓撲變化通知，直到根節點
3. STP的設定BPDU
STP的配置BPDU封包被封裝在乙太網路資料訊框中，特徵為：



目的MAC是組播MAC：01-80-C2-00-00-00，Length/Type欄位為MAC資料長度，後面是LLC頭，LLC之後是BPDU封包頭。

這裡注意，現在大多數網路應用都使用Ethernet V2格式，而交換器之間的BPDU則採用IEEE802.3 LLC格式封裝，兩者比較如下圖


在初始化過程中，每個橋都會主動發送配置BPDU。但在網路拓樸穩定以後，只有根橋主動發送配置BPDU，其他橋在收到上游傳來的配置BPDU後，才觸發發送自己的配置BPDU。

配置BPDU的長度至少要35個字節，主要攜帶（根網橋ID 、根路徑開銷、發送網橋ID、發送埠ID）這四個參數和（Hello time、Forwarding delay、MAXage）這三個計時器。

STP有三個計時器影響連接埠狀態和網路收斂：

(1) Hello time

根交換器發送配置BPDU的時間間隔，缺省2s
感知拓樸變化的交換器發送TCN的時間間隔
(2) Forwaring delay：連接埠在listening或learning狀態停留的時間，缺省15s

(3) MAXage：交換器快取的配置BPDU的老化時間，預設20s

STP配置BPDU封包基本格式如下圖所示：


參數表格詳解：

4. STP的TCN BPDU
TCN BPDU是指在下游拓撲發生變化時向上游發送拓撲變化通知，直到根節點。 TCN BPDU在下列兩種情況下會產生（STP/RSTP/MSTP機制皆一致）：

連接埠狀態變為Forwarding狀態。
指定連接埠收到TCN BPDU，複製TCN BPDU並發送到根橋。
STP的TCN BPDU內容較簡單，只有表1所列的前3個欄位：協定號碼、版本和類型，總長度只有4個位元組，如下：



字段說明：

Protocol Identifier：協定編號為0
Protocol Version Identifier：協定版本號為0，表示為STP（2是RSTP，3是MSTP）
BPDU Type：類型欄位皆為固定值0x80，表示為TCN BPDU