STP协议的工作原理和配置方法
STP工作原理
STP能够检测并防止2层桥接环路的形成。
可以存在多条并行的路径，但只使用一条路径来转发数据帧，并基于IEEE 802.1D桥协议标准。
802.1w作为一种增强的生成树，在拓扑发生变化时可提供比传统生成树更快的收敛速度。
Cisco交换机在PVST+（每 VLAN 生成树）或Rapid-PVST+（快速每VLAN 生成树）中为每个VLAN运行单独的 STP 实例（instance）。运行RPVST的交换机之间需要配置 Trunking。
对于工业标准 IEEE 802.1Q的Trunk链路来说，所有的 VLAN只需一个STP 实例。公共生成树（CST）使用VLAN 1通信。
PVST+作为Cisco私有的扩展技术，允许交换机在CST与PVST之间互操作。PVST桥协议数据单元（BPDU）在802.1Q Trunk链路上以隧道方式传输。Catalyst交换机默认运行PVST+。
快速PVST+是一种混合模式的STP，其使用了结合了 PVST基础的IEEE 802.1w（快速生成树）。快速PVST+兼容IEEE 802.1w，但须使用Cisco扩展技术来支持每VLAN生成树。
基于IEEE 802.1s标准的多生成树（MST）对802.1w RSTP进行扩展，使其拥有多个STP实例。
a. MST向下兼容802.1D、802.1w及PVST+模式的STP。
b. 使用公共VLAN和STP实例的多个交换机组成一个MST区域。
c. MST可产生PVST+的BPDU，用来实现协议之间的互操作性。
d. MST支持最多16个STP实例。
交换机在每个Hello时间间隔（默认2秒）都会向所有接口发送BPDU。
BPDU不能被交换机直接转发，其用于进一步计算并产生新的 BPDU。
交换机发送两种类型的BPDU。
a.配置BPDU。
b.拓扑变更通告（TCN）BPDU。
STP流程
01选举根桥
桥ID最小的交换机将成为生成树的根桥。
桥 ID（BID）由两字节的优先级字段和6字节的MAC地址组成。
优先级字段范围为0～65535，默认是32768。
02选举根端口
每台非根桥交换机上将选举出一个根端口，或称为离根桥“最近”的端口。
“最近”指端口带有最低的根路径开销值。
开销值携带于BPDU中。
沿路上每台非根桥交换机都会在BPDU的入站端口上增加本地端口开销值。
随着新的BPDU的产生，根路径值开销逐渐累积。
03选举指定端口
在每个网段上，其中一台交换机的端口将选举成为指定端口，用于处理此网段的流量，网段中宣告最低根路径开销的端口选举成为指定端口。
04移除桥接环路
既不是根端口又不是指定端口的交换机端口将被置于阻塞状态。
此步骤将中断所有桥接环路，否则，将会形成环路。
STP仲裁
当STP选举遇到先决条件相同或称为平局时，最重决策基于以下一系列条件。
1.最小的BID。
2.最低的根路径开销。
3.最小的发送方的BID。
4.最小的端口ID。
路径开销
默认情况下，交换机端口具有如下表中定义的路径开销值。
默认下，工作在 RPVST+模式下的Catalyst交换机使用“短模式”，即16比特的路径或端口开销值。
当网络中的端口速率小于1Gbit/s 时，短模式范围的开销值已经足够。
不过，如果存在10Gbit/s或速率更高的端口，需要将网络中所有交换机设置成使用“长模式”，即32比特的路径开销范围，这样做可确保所有的交换机计算根路径开销值的一致性。
STP端口状态
每台交换机的端口须经历一系列的端口状态改变。
01禁用状态（disabled）
端口被管理性的关闭或由于故障引起的端口关闭（MST称此状态为丢弃状态（discarding））。
02阻塞状态（blocking）
此端口状态出现在端口初始化之后。处于阻塞状态的端口不能接收或传输数据，不能向自己的地址表添加MAC地址，只能接收BPDUs。
如果检测出存在桥接环路，或者端口失去其根端口或指定端口的状态，那么它将返回到阻塞状态（MST称此状态为丢弃状态）。
03侦听状态（listening）
如果某端口可成为根端口或指定端口，该端口将进入侦听状态。
侦听状态的端口不能接收或传输数据，也不能向自己的地址表中添加MAC地址可以收发BPDU（MST称此状态为丢弃状态）。
04学习状态（learning）
在转发延时计时器到期后（默认 15 秒），端口将进入学习状态．学习状态的端口不能传输数据但可收发BPDU，此状态下可学习MAC地址并可将地址加入到地址表中。
05转发状态（forwarding）
在第2个转发延时计时器到期后（默认15秒），端口将进入转发状态。
此状态下的端口可以收发数据、学习MAC地址及收发BPDUs。
STP拓扑变化
如果交换机的某个端口进入了转发状态（启动了 PortFast 技术除外），将产生拓扑变更信号。
如果交换机的某个端口从转发或学习状态进入阻塞状态，将产生拓扑变更信号。
为了发送拓扑变更信号，交换机会在每个Hello时间间隔从根端口向外发送TCN BPDU。
直到上行的指定桥邻居确认了 TCN BPDU。
邻居会在自身的根端口上继续中继TCN BPDU直到根桥收到为止。
根桥通过发送配置BPDU来将拓扑变更通知给整棵生成树，这种BPDU设置了拓扑变更位（TC）。
此操作将导致所有的下行交换机将其地址表老化时间（默认300秒）减少到转发延时（默认15秒），使得交换机将不活动的MAC地址更快的刷新出地址表。
增强 STP 的稳定性
STP根保护（Root Guard）特性用来在交换网络内强制根桥位置及身份。
在端口启用了Root Guard特性后，如果该端口收到了更优的BPDU，那么Root Guard将停用此端口。
此技术用于避免其他交换机意外地成为根桥。
应该在所有不应出现根桥的端口上启用STP Root Guard 特性，这样做保护了当前主根桥和备根桥的选择。
单向链路检测（UDLD）提供了一种检测单向传输链路的方法，使得STP无法常规检测出来或阻止的路由环路和流量黑洞得以防止。
工作在2层的UDLD发送含有设备ID与端口ID的数据包至交换机端口所连的邻居设备。
同时，邻居将任何收到的UDLD 数据包原路发回，以便让它的邻居知道该数据包已经被对端邻居识别。
UDLD消息以消息间隔（message interval）时间发出，通常默认值为15秒。
UDLD可工作在两种模式下：
普通模式（normal mode）
单向链路作为一种错误被检测并报告出来，但不做其他动作。
主动模式（aggressive mode）
单向链路作为一种错误被检测并报告出来，在8次尝试（1秒一次，共8秒）重新建立链路后停用端口。停用的端口须手工重新启用。
STP环路防护（Loop Guard）技术用来在根端口（root port）和替换根端（alternate root port）上检测BPDU的缺失。如果收不到BPDU，非指定端口将被临时停用，用来防止非指定端口错误的成为指定端口并进入转发状态。
对于所有可能活动STP拓扑来说，应该在所有根端口和替换根端口（两者都是非指定端口）上启用STP Loop Guard。
STP 运作实例
来看一个STP运作的例子，如下图所示为3台Catalyst交换机互连成的三角形拓扑网络。
RP代表根端口，DP代表指定端口，F代表处于转发状态的端口，X代表处于阻塞状态的端口。
生成树算法过程如下：
01选举根桥
所有3台交换机都具有相同的桥优先级（都为默认值32768）。但Catalyst A具有最小的MAC地址（00-00-00-00-00-0a），故Catalyst A选举成为根桥。
02选举根端口
在每台非根桥交换机上计算出最低的根路径开销。
在Catalyst B上为端口1/1，其端口路径开销为 0+19， Catalyst C上为端口1/1，其根路径开销同样是 0+19。
03选举指定端口
根据规定，根桥上的所有端口都将成为各自网段的指定端口。
因此，Catalyst A上的端口1/1与1/2都为指定端口。
Catalyst B端口1/2与Catalyst C 端口1/2 共享一个网段，须在两端口之间选举出一个指定端口。
这两个端口的根路径开销都为0+19+19，即38，出现了平局。
再选出最低的发送方的BID，故Catalyst B（MAC 地址最小）的端口1/2 选举成为指定端口。
04既不是根端口又不是指定端口的所有端口将处于阻塞状态
唯一剩下的Catalyst C上端口1/2，既不是根端口，又不是指定端口。该端口将进入阻塞状态（图中X所示 ）。
配置STP
01（可选）启用或禁用 STP
(global) [no] spanning-tree [vlan vlan]
默认情况下， STP 启用在 VLAN 1 和任何新创建的 VLAN 中。
如果未指定具体的 VLAN，将在所有 VLAN 上启用或禁用 STP。
要知道如果禁用了 STP，将不能检测并防止桥接环路的形成。交换机应始终启用 STP。
02（可选）设置交换机的 STP 模式
spanning-tree mode (pvst I mst I rapid- pvst]
默认情况下，所有 Catalyst 交换机为每个 VLAN 的 STP 实例运行 PVST+模式的 STP。
想要配置成其他的STP模式，须明确使用选项rapid-pvst（带有IEEE兼容性的每 vlan 802.1w）或mst。
03（仅适用于 MST）激活一个 MST 实例
（1）进入 MST 配置模式
spanning-treemst configuration
（2）定义 MST 区域
（mst )namename
（mst )revisionrevision-number
使用name（最多32字符的文本字符串）来定义MST区域。
如果未指定区域名，系统将不使用区域名。用户可以使用区域修订号来指出区域配置改变的次数。
修订号revision-number（0～65535，默认为 1）须明确地设定，并且不会随区域配置变化自动递增。
（3）将一个或多个VLAN映射到实例中
instance instance-id vlanvlan-range
此命令用于将vlan号（ 1～1005、1025～4094）映射到 MST instance（0～15）中。
映射关系将保存在MST区域缓存中。
（4）退出 MST 配置模式
（mst）end
输入end命令将退出并返回到特权模式。同时配置的改变立即生效。
但如果想永久保存MST配置，须将配置保存至NVRAM中。
04（可选）放置根桥交换机
（global）spanning-tree vlanvlanroot {primary | secondary} [diameternet-diameter ][hello-timehello-time]
或
（global） spanning-tree mstinstance-idroot {primary | secondary} [diameternet-diameter ][hello-timehello-time]
带有参数 primary 的命令将使交换机成为若干 VLAN（1～1005和1025～4094）或指定的STP 实例（1～16，如未指定即VLAN 1）的主根桥。
网桥优先级的修改规则如下：如果大于8192，将被设置成8092；
如果小于8192，将被设置成比当前根桥优先级更小的值。
可以使用关键字 secondary来指定备根桥或次根桥，以防主根桥失效。
这里，网桥优先级将被设置成16384（对于MST来说，根桥优先级被设置成24576，备根桥被设置成 28672）。
关键字diameter指定了网络中两端点之间的直径，即网桥或交换机的数量（1～7，默认为7）。
可同时设定Hello时间间隔（默认2秒钟）。
网络直径的设置将导致系统自动计算并修改其他STP计时器值。
可使用其他命令明确地调整计时器值，不过调整直径隐藏了计时器计算的复杂性。
05（可选）调整网桥的优先级
（global）spanning-tree vlanvlanprioritypriority [diameternet-diameter ][hello-timehello-time]
或
（global）spanning-tree mstinstance-idprioritypriority [diameternet-diameter ][hello-timehello-time]
用户可以直接将网桥优先级修改成其他数值，而不是自动获得的主备根桥的优先级。
优先级可基于每VLAN或STP实例来设定。
选项instance-list指定了实例号，可使用逗号或连字符来定义一个或一组实例。
如果想强制某台交换机成为根桥，应为此交换机配置一个比在VLAN或STP实例中其他所有交换机都要低的优先级。
对于PVST+来说网桥优先级范围介于 0～65535（默认为 32768），不过，当启用扩展 VLAN 支持功能后，优先级只能设定成以下固定数值：
0（优先级最高）、4096、8192、12288、16384、20480、24576、28672、32768、36864、40960、45056、49152、53248、 57344和61440（优先级最低）。
06（可选）阻止端口成为STP根端口
(interface) spanning -tree rootguard
此命令将在端口或接口上启用 STP Root Guard（根保护）特性。
如果连接到此端口的网桥通告一个更低的桥ID并成为了根桥，此端口将进入root-inconsistent（侦听）STP状态。
当此端口不再能检测到根桥的BPDU时，将退回到正常的工作状态。
07（可选）调节根路径开销
（1）（可选）设置端口开销取值范围
(global)spanning-tree pathcost defaultcost-method[long I short]
默认下， PVST+的交换机使用 short 模式（16 比特）端口开销值。
如果有10Gbit/s或以上的端口，应在网络中的所有交换机上将端口开销取值范围设定为 long 模式（32 比特）。
MISTP、 MISTP-PVST+及 MST 默认使用“长模式”的端口开销。
（2）设定所有VLAN或实例的端口开销
此命令可将所有VLAN或STP实例的端口开销设定成cost （短模式或 MISTP模式下为 1～65535，在长模式下为 1～200000000）。
（3）设定每 VLAN 或每个实例的端口开销
（interface）spanning-tree vlanvlan-idcostcost
或
（interface） spanning-tree mst instance-id cost cost
此命令可将 VLAN vlan-id 或 STP 实例 instance-id（0～15）的端口开销设定为 cost（短模式为 1～65535，长模式为 1～200000000）。
08（可选）调节端口优先级
（1）设定所有 VLAN 或实例的端口优先级
此命令将端口优先级设定成priority(2～255)。
（2）设定每 VLAN 或每个实例的端口优先级
（interface） spanning-tree vlan vlan-list port-priority priority
或
（interface）spanning-tree mst instance-id port-priority priority
此命令将VLAN vlan-id或STP实例instance-id（0～15）的端口优先级设定为。
09（可选）使用 UDLD 检测单向连接
（1）在交换机上启用 UDLD
默认情况下， UDLD 处于停用状态。
在将 UDLD 应用在特定端口之前须先将其启用。
Supervisor IOS 中可使用关键字 aggressive 来在所有以太网光纤端口上全局地启用UDLD主动模式。
（2）（可选）调整UDLD消息间隔计时器
此命令将 UDLD 消息时间间隔设定成interval（7～90 秒，默认 60 秒）。
（3）在特定端口上启用UDLD
( interface)udld [enable I disable ]
在交换机上全局启用 UDLD 后， UDLD 将默认启用在所有以太网光纤端口上。
默认下，在所有的以太网双绞线介质端口上， UDLD处于停用状态。
（4）（可选）在特定端口上启用UDLD主动模式
( interface)udld aggressive
在端口上启用 UDLD 主动模式之后，当系统检测到单向连接时将停用此端口。
问题修正后须手动地重新启用该端口。
在 Supervisor IOS 中，可使用特权命令udld reset来重新启用所有被UDLD停用的端口。
10（可选）使用 Loop Guard 特性来增强 STP 的稳定性
( interface)spanning-tree loopguard
Loop Guard（环路防护）特性应只启用在已知的根端口或替换根端口上。
例如，接入层交换机的上行端口一定是根端口或替换根端口，原因是这些端口离根桥最近（假定用户将根桥放置在了网络的中心位置）。
审核编辑：汤梓红
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