Day05-STP生成树协议
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STP 产生的背景（解决什么问题？）
单点故障
当一个数据发往目标地址时，有且只有一个节点/链路的时候，一旦该节点/链路故障，就会导致大面积的主机网络终端，称之为单点故障
怎么去解决单点故障
增加冗余/备份的链路和设备
增加冗余/备份设备后，产生了新的问题：
交换机与交换机之间增加备份链路后：极有可能形成环形网络，从而形成二层环路，而二层的环路又极有可能引发广播风暴（交换机的工作原理）。
如何去解决二层环路引发的广播风暴呢？
STP 生成树协议
广播风暴是因为有环路，将环路断开，即可解决。
STP（Spanning Tree Protocol）生成树协议，STP 通过阻塞某个接口，从而在逻辑上断开环路，防止广播风暴，破坏二层环路。当主线路真正发生故障时，逻辑上阻塞的接口会被重新激活，备份链路开始转发数据。当主线路恢复的时候，接口再次会被阻塞。
STP 的工作原理（如何决定出哪个接口被阻塞呢？）
第一步：确定交换机角色
在设备刚开始运行时，所有的交换机都认为自己是根交换机，这个时候他们就会互相发送 BPDU 报文，BPDU 报文里包含了 BID（Bridge ID），Bridge ID 由两部分组成：优先级（默认32768）+自己的MAC 地址，优先级数值最小的成为根交换机，如若优先级都是默认的 32768，则比较自身的 MAC 地址，越小越优先。
第二步：确定端口角色
STP协议共定义了三种端口角色
| 根端口（ROOT） | 每一个非根交换机上，有且只有1个，距离根交换机最近的端口 |
|---|---|
| 指定端口(DESI） | 每一个链路上，有且只有1个，距离根交换机最近的端口 |
| 非指定端口 | 除了根端口和指定端口，剩余所有端口都叫做非指定端口 |
1）选举根端口
定律：
根交换机中，没有根端口
非根交换机中，有且只有一个根端口
选举原则：
1.非跟交换机到达根交换机的路径开销成本cost最小的端口，就是根端口（离根交换机最近的端口称之为根端口）
路径COST值：跟端口带宽有关系，带宽越高，COST 值越小
默认情况下，华为交换机的千兆端口 COST值为20000，百兆端口 cost 值为 200000
display stp
2.当cost 值一样时，则比较对端设备的 BID 值，BID 越小越优先
3.当 BID 相同时，则比较对端设备的 PID（port id），越小越优先
2）选举指定端口
定律：
根交换机中的每一个接口都是，指定端口。
一条链路，有且只有一个指定端口
通常情况下，如果一条链路的一端是根端口，另外一端则就是指定端口
选举原则：
1.比较 cost 值
2.比较对端设备的 BID
3.比较对端设备的 PID
第三步：确定端口状态（决定哪个接口要被阻塞）
最终什么都没被选上的端口，则成为阻塞端口。形成无环的数据转发路线。
浓缩版：
1.选举根交换机
2.选举根端口
3.选举指定端口
4.确定出阻塞端口
命令
stp mode stp //把 stp 模式修改为 STP
stp priority 4096 //将该交换机的stp 优先级调整为 4096（默认是 32768）
display stp //查看当前交换机的 STP 角色
display stp brief //查看当前交换机的端口状态
STP 补充
BPDU 报文
Bridge Protocol Data Unit －桥协议数据单元，即STP协议的报文，通过这种类型的报文，STP协议实现了自己的所有功能
COST 值（路径开销）
COST：路径成本，默认情况下，千兆链路的成本为 20000，百兆链路为 200000。可以在端口上手动修改
[Huawei-gi0/0/11]stp cost {value} //手动修改 cost 值
PID （Port Identifier）端口标识
端口标识越小越优先，由端口优先级和端口号两部分组成，端口优先级可配置，默认值128。
STP的五种端口状态
从开启 STP 到最终选举完成，运行 STP 协议的交换机总共存在五种状态
| 禁用（disabled） | 强制关闭，没有启动 STP 协议 |
|---|---|
| 阻塞（blocking） | 只接受 BPDU 报文，不发送 BPDU 报文 |
| 侦听（listening） | 比较 BPDU 报文，确定交换机角色和端口角色 |
| 学习（learning） | 基于端口上收到的数据帧，学习 MAC 地址表 |
| 转发（forwarding） | 端口的最终状态，能够发送和接收用户数据 |
STP 的 3 种计时器
hello 时间：端口发送的BPDU报文的时间间隔：默认是2秒，当根交换机产生后，根交换机会以 2s 一个的频率进行发送 BPDU 报文。向所有运行 STP 协议的端口通告目前网络中的STP 状态
转发延迟（forward delay）：侦听—学习：15秒 、学习—转发：15秒。（交换机端口从运行 STP 到最终转发数据所用的时间）
最大老化时间（Max Age)：一个端口最大的“没有接收BPDU”的时间间隔：20秒。如若根交换机超过了这个时间还没有发送新的 BPDU 报文，则其他非根交换机则会认为根交换机发生了故障，从而进行重新选举
STP 的最大收敛时间：30秒～50 秒
根交换机故障：重新选举根交换机到各端口状态稳定，需要大约 50S
链路故障：重新确定端口状态需要 30S～50S
MSTP
STP 的不足
STP收敛速度慢：30秒~50秒，导致网络中断时间过长
解决方案：RSTP快速生成树
1）RSTP-快速生成树，公有协议：IEEE802.1w，在STP的基础上优化而来
作用：实现网络的快速收敛，降低网络故障时间，提高数据转发的效率
2）RSTP对STP的改进
-增加了2种端口角色（AP和BP）
-减少了3种端口状态（禁用，阻塞，侦听三种状态合为一种）
-引入了P/A 机制（让指定端口尽快进入转发状态）
P表示提议 A表示：同意， 协议一致
RSTP 的不足
1）RSTP和STP有一个共同缺陷：局域网种所有的vlan共享一棵生成树
2）所有的vlan的数据转发路径是相同的、无法实现vlan数据流的负载分担
MSTP登场：多生成树协议
1）MSTP：多生成树协议，公有协议：IEEE802.1s，在RSTP的基础上优化而来，华为交换机默认开启 MSTP
2）在MSTP网络中，引入了域的概念，称为MST域
3）每一个MST域中包含一个或多个“生成树”称为“实例”
4）每个“实例生成树”都可以绑定vlan,实现vlan数据流的负载分担/负载均衡
5）默认情况下，所有的vlan都属于“实例树0：即：instance 0”
6）不同的“实例树”、就是不同的“生成树”，每个实例树种都可以选举根交换机
MSTP 的工作原理
MSTP工作过程
1）选举根交换机
2）选举根端口-RP
3）选举指定端口-DP
4）确定替代端口-AP
MSTP端口角色
| 根端口 | 非根交换机上距离根交换机最近的口 |
|---|---|
| 指定端口 | 网段上距离根交换机最近的口 |
| 替代端口 | 非交换机上的“根端口”的替代端口 |
| 备份端口 | 网段上的“指定端口”的备份端口 |
MSTP端口状态
| 丢弃 | 相当于STP中的禁用、侦听、阻塞，不转发用户数据 |
|---|---|
| 学习（learning） | 基于端口上收到的数据帧，学习 MAC 地址表 |
| 转发（forwarding） | 端口的最终状态，能够发送和接收用户数据 |
MSTP 通用命令
[SW1]stp mode mstp //将交换机 stp 模式修改为 MSTP（其实默认就是 MSTP）
[SW1]stp region-configuration //进入MST域
[SW1-mst-region]region-name fesco //配置MST域的域名为fesco， 注意，所有交换机的域名都要保持一致
[SW1-mst-region]instance 1 vlan 10 //配置实例树1绑定vlan10 注意！所有交换机instance 的编号和后面的 vlan 也要保持一致
[SW1-mst-region]instance 2 vlan 20 //配置实例树2绑定vlan20
[SW1-mst-region]active region-configuration //激活这个区域 不激活不生效
[SW1-mst-region]quit
[SW1]stp instance 1 priority 4096 //配置SW1为 VLAN 10的根交换机 手动更改优先级，指定让进程 1 里的设备（属于 VLAN10 的设备）把该交换机做为根。
[SW1]display stp brief //查看当前设备的 STP简要端口状态
MSTP 实验
实验（1）
需求
1）PC1和PC2属于vlan 10，IP地址段192.168.10.0/24
2）PC3和PC4属于 vlan 20，IP地址段 192.168.20.0/24
3）配置MSTP，实现VLAN10内的PC1和PC2的数据转发路径是：SW1-SW2
4）配置MSTP，实现VLAN20内的PC3和PC4的数据转发路径是：SW3-SW4
配置步骤
1）配置PC的IP地址
2）在所有的交换机中都创建vlan10和vlan20
3）交换机连接PC的接口设置为access模式，并加入指定的vlan
4）交换机和交换机互联的接口设置trunk模式，并允许vlan10和vlan20 通过
5）在所有的交换机中配置MSTP，所有交换机中的MSTP配置都要完全相同
6）指定SW1为vlan10的根交换机， 指定SW3为vlan20的根交换机
配置命令
SW1：
[Huawei]sysname SW1
[SW1]vlan batch 10 20
[SW1]interface gi0/0/1
[SW1-G0/0/1]port link-type access
[SW1-G0/0/1]port default vlan 10
[SW1-G0/0/1]quit
[SW1]port-group group-member g0/0/12 g0/0/13
[SW1-port-group]port link-type trunk
[SW1-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW1-port-group]quit
[SW1]stp mode mstp
[SW1]stp region-configuration //进入MST域
[SW1-mst-region]region-name fesco //配置MST域的域名为fesco
[SW1-mst-region]instance 1 vlan 10 //配置实例树1绑定vlan10
[SW1-mst-region]instance 2 vlan 20 //配置实例树2绑定vlan20
[SW1-mst-region]active region-configuration //激活这个区域
[SW1-mst-region]quit
[SW1]stp instance 1 priority 4096 //配置SW1为 VLAN 10的根交换机
SW1 交换机配置
SW2：
[Huawei]sysname SW2
[SW2]vlan batch 10 20
[SW2]interface gi0/0/1
[SW2-G0/0/1]port link-type access
[SW2-G0/0/1]port default vlan 10
[SW2-G0/0/1]quit
[SW2]port-group group-member g0/0/12 g0/0/13
[SW2-port-group]port link-type trunk
[SW2-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW2-port-group]quit
[SW2]stp mode mstp
[SW2]stp region-configuration //进入MST域
[SW2-mst-region]region-name fesco //配置MST域的域名为fesco
[SW2-mst-region]instance 1 vlan 10 //配置实例树1绑定vlan10
[SW2-mst-region]instance 2 vlan 20 //配置实例树2绑定vlan20
[SW2-mst-region]active region-configuration //激活这个区域
SW2 交换机配置
SW3：
[Huawei]sysname SW3
[SW3]vlan batch 10 20
[SW3]interface gi0/0/1
[SW3-G0/0/1]port link-type access
[SW3-G0/0/1]port default vlan 20
[SW3-G0/0/1]quit
[SW3]port-group group-member g0/0/12 g0/0/13
[SW3-port-group]port link-type trunk
[SW3-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW3-port-group]quit
[SW3]stp mode mstp
[SW3]stp region-configuration //进入MST域
[SW3-mst-region]region-name fesco //配置MST域的域名为fesco
[SW3-mst-region]instance 1 vlan 10 //配置实例树1绑定vlan10
[SW3-mst-region]instance 2 vlan 20 //配置实例树2绑定vlan20
[SW3-mst-region]active region-configuration //激活这个区域
[SW3-mst-region]quit
[SW3]stp instance 2 priority 4096 //配置SW3为 VLAN 20的根交换机
SW3 交换机配置
SW4：
[Huawei]sysname SW4
[SW4]vlan batch 10 20
[SW4]interface gi0/0/1
[SW4-G0/0/1]port link-type access
[SW4-G0/0/1]port default vlan 20
[SW4-G0/0/1]quit
[SW4]port-group group-member g0/0/12 g0/0/13
[SW4-port-group]port link-type trunk
[SW4-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW4-port-group]quit
[SW4]stp mode mstp
[SW4]stp region-configuration //进入MST域
[SW4-mst-region]region-name fesco //配置MST域的域名为fesco
[SW4-mst-region]instance 1 vlan 10 //配置实例树1绑定vlan10
[SW4-mst-region]instance 2 vlan 20 //配置实例树2绑定vlan20
[SW4-mst-region]active region-configuration //激活这个区域
[SW4-mst-region]quit SW4 交换机配置
实验 (2)-MSTP负载均衡
需求
1）PC1属于 vlan 10 ，IP地址为192.168.10.1/24，网关为 192.168.10.254
2）PC2属于 vlan 20 ，IP地址为192.168.20.1/24，网关为 192.168.20.254
3）确保PC1与PC2互通
4）合理配置 MSTP ，确保PC1与PC2之间的互通路径是最优的
配置思路
1）配置PC的IP地址
2）在所有的交换机中都创建vlan10和vlan20
3）交换机连接PC的接口设置为access模式，并加入指定的vlan
4）交换机和交换机互联的接口设置trunk模式，并允许vlan10和vlan20 通过
5）在所有的交换机中配置MSTP，所有交换机中的MSTP配置都要完全相同
6）指定SW1为vlan20的主根， vlan10的备根
7）指定SW2为vlan10的主根， vlan20的备根
8）配置路由器接口的IP地址
配置命令
SW1：
[SW1]vlan batch 10 20
[SW1]interface g0/0/1
[SW1-G0/0/1]port link-type access
[SW1-G0/0/1]port default vlan 20
[SW1-G0/0/1]quit
[SW1]port-group group-member g0/0/3 g0/0/10 //批量进入 G0/0/3 和 G0/0/10 接口（偷懒）
[SW1-port-group]port link-type trunk
[SW1-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW1-port-group]quit
[SW1]stp region-configuration //创建 mstp 域
[SW1-mst-region]region-name fesco //给域命名为 fesco（所有交换机名字保持一致）
[SW1-mst-region]instance 1 vlan 10 //创建进程，绑定 vlan
[SW1-mst-region]instance 2 vlan 20
[SW1-mst-region]active region-configuration //激活该域
[SW1]stp instance 2 priority 4096
[SW1]stp instance 1 priority 8192
SW2:
[SW2]vlan batch 10 20
[SW2]interface g0/0/2
[SW2-G0/0/2]port link-type access
[SW2-G0/0/2]port default vlan 10
[SW2-G0/0/2]quit
[SW2]port-group group-member g0/0/4 g0/0/10
[SW2-port-group]port link-type trunk
[SW2-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW2-port-group]quit
[SW2]stp region-configuration
[SW2-mst-region]region-name fesco
[SW2-mst-region]instance 1 vlan 10
[SW2-mst-region]instance 2 vlan 20
[SW2-mst-region]active region-configuration
[SW2]stp instance 1 priority 4096
[SW2]stp instance 2 priority 8192
SW3：
[SW3]vlan batch 10 20
[SW3]interface g0/0/1
[SW3-G0/0/1]port link-type access
[SW3-G0/0/1]port default vlan 10
[SW3-G0/0/1]interface g0/0/2 //进入和路由器连接的接口
[SW3-G0/0/2]port link-type access //按照要求配置为 access 接口
[SW3-G0/0/2]port default vlan 20 //假如 vlan20
[SW3]port-group group-member g0/0/3 g0/0/4
[SW3-port-group]port link-type trunk
[SW3-port-group]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW3-port-group]quit
[SW3]stp region-configuration
[SW3-mst-region]region-name fesco
[SW3-mst-region]instance 1 vlan 10
[SW3-mst-region]instance 2 vlan 20
[SW3-mst-region]active region-configuration
R1:
[R1]interface g0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip address 192.168.20.254 24
[R1-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/2
[R1-GigabitEthernet0/0/2]ip address 192.168.10.254 24