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0. 课件来源 ​

本节在 HCIA STP 基础上，深入讲解 STP 的 选路原则完整推导、BPDU 结构、计时器、拓扑变更机制（TCN），为理解 RSTP / MSTP 快速切换原理打基础。

1. STP 协议全景 ​

协议标准优点缺点
STP802.1D（CST）无环、冗余、最优路径不能负载、切换 30''~50''
PVST（思科私有）Per-VLAN STP无环、冗余、最优路径、负载、部分快速切换vlan 过多时资源消耗大
RSTP802.1W无环、冗余、快速切换 0''、最优路径不能负载
MSTP802.1S无环、冗余、快速切换、最优路径、负载—

💡 单生成树 vs 多生成树

  • CST（Common STP）：所有 VLAN 共享同一棵公共生成树 → 单生成树（SST）。
  • MSTP：通过 Instance（实例） 区分多棵生成树。Instance 0 是默认存在的"根本大树"，映射所有 VLAN；Instance XX 把部分 VLAN 映射进去，实现按实例的最优路径与负载分担。

2. 桥 ID（BID）与扩展系统 ID ​

BID 共 8 字节 = 2 字节 Priority + 6 字节 MAC。

字段说明
Priority默认 32768，步长 4096
System Extended ID在 PVST/MSTP 中，Priority 的 16 bit 被拆为 4 bit 优先级 + 12 bit 扩展 ID（VLAN/Instance ID）
MAC交换机背板 MAC，人工不可改
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BID 拆解（PVST/MSTP）：
+---------- 16 bit Priority ----------+
| 4 bit 优先级 | 12 bit 扩展 ID (VLAN/Instance) |
+---------+-------------------------------+
| 32768  | vlan10 / instance10          | + MAC 地址

⚠️ 为什么拆扩展 ID

单生成树（CST）所有 VLAN 共用同一个 BID 不冲突；但 PVST/MSTP 中每 VLAN/Instance 都要参与选举，若 BID 仅用 Priority+MAC，则同一台交换机不同 VLAN 的 BID 完全相同，无法区分。拆出 12 bit 作为 VLAN/Instance 标识后，32768 + vlan10 + MAC 与 32768 + vlan20 + MAC 才不同。

3. STP 端口角色 ​

角色数据BPDU说明
DP（Designated，指定端口）收发发每段链路最优端口
RP（Root，根端口）收发收非根上到根最优端口
阻塞端口不收发收既非 RP 又非 DP

4. STP 选举完整流程 ​

4.1 三步法 ​

  1. 选根（ROOT）：整个交换网络 BID 最小的交换机
  2. 选 RP：非根交换机上到根最优（BPDU 最小）的端口
  3. 选 DP：每段链路上最优端口；既非 RP 又非 DP 的端口被阻塞

4.2 初始化阶段（存 → 比 → 发） ​

步骤一：存 — 保存最优 BPDU 每段链路互发 BPDU，按选路原则比较，每个接口保存"最优 BPDU"（最小）：

  • 若交换机所有接口保存的都是自己的 BPDU → 我是 ROOT
  • 若部分接口保存的是对方的 BPDU → 我是 nonROOT

步骤二：比 — 计算累加（选举 RP） 非根交换机选举 RP：去往根最优（BPDU 最小）的端口。入向累加 Cost，出向不累加。

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以 SW2 为例（千兆全双工接口 Cost = 20000，802.1T 标准）：
G0/0/23 存 小[0][小24] → 计算：0 + 20000(入向) = 小24
G0/0/21 存 中[0][中21] → 计算：0 + 20000(入向) = 中21
→ G0/0/23 更优，成为 RP（初始化阶段不靠 cost，靠 RID 不同区分）

💡 初始化 vs 正常化

  • 初始化阶段：RP 还没选出，各接口存的 BPDU 的 RID 不同，先靠 RID 比较。
  • 正常化阶段：RP 选出后 RID 都相同（都是根），此时靠 RPC（cost）比较。

步骤三：发 — 改变（继承 RP 属性） RP 选出后，其他所有端口发送 BPDU 都要 继承 RP 的相关属性，重新生成 BPDU 再发。

4.3 选路原则（必背） ​

顺序字段作用阶段
1RID选举根
2RPC（Root Path Cost）正常阶段选举 RP
3BID（发送方桥 ID）默认随机选举一个
4PID（发送方端口 ID）前面选不出来时随机
5本地 PID前面选不出来时随机

5. BPDU 结构 ​

STP BPDU 封装在 802.3 以太帧中：

  • DMAC = 0180-C200-0000（所有交换机侦听的组播 MAC），收后不转发
  • LLC Type = 0x4242，标识是 STP BPDU，提交给 STP 进程
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Protocol ID : 0000 (spanning-tree)
Version ID  : 00(STP-802.1D) / 02(RSTP-802.1w) / 03(MSTP-802.1s)
BPDU Type   : 00(Configuration) / 80(TCN 拓扑变更通告)
Flag        : 1 字节，bit7=TCA，bit0=TC
RID         : 根 BID (priority + system-id + MAC)
RPC         : 根路径开销
BID         : 自身桥 ID
PID         : 端口 ID (priority + port-id)

💡 STP vs RSTP/MSTP BPDU

  • STP：BPDU Type = 00（Configuration），80（TCN）
  • RSTP / MSTP：Version = 02，使用统一的 RSTP/MSTP BPDU，Type = 02

6. STP 计时器 ​

计时器默认值说明
Hello2 秒（200 厘秒）根发送配置 BPDU 周期
Max-Age20 秒（2000 厘秒）BPDU 老化时间
Forward-Delay15 秒（1500 厘秒）Listening→Learning、Learning→Forwarding 延时

⚠️ 关键认知

  • 配置 BPDU 只有根能产生，其他非根交换机只能转发。
  • 因此 计时器只能在根上修改 才能让整个 STP 网络生效，非根上改不生效（会被根同步覆盖）。
  • Max-Age = 2 * 7 + 2 * 3 = 20 秒，默认 STP 拓扑最大 7 层（直径）。

6.1 修改计时器的两种方法 ​

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# 方法 1：直接在根上修改
stp timer hello 200
stp timer max-age 2000
stp timer forward-delay 1500

# 方法 2：修改 STP 直径（华为会按直径自动计算 timer）
stp bridge-diameter 7   # 取值 2-7，默认 7

7. 端口状态与切换时间 ​

状态行为停留时间
Disable没插线—
Blocking阻塞，收 BPDU—
Listening选举端口角色，不转发数据15 秒
Learning学习 MAC 构建表15 秒
Forwarding转发—

7.1 不同故障的切换时间 ​

故障类型切换时间说明
物理接口 down-up30 秒15 + 15
直连链路切换30 秒15 + 15
非直连链路切换（标准）50 秒20(max-age) + 30
非直连链路切换（华为次级 BPDU 优化）30 秒收到次级 BPDU 立即老化，不等 20 秒

💡 华为次级 BPDU 优化

标准 STP 非直连切换要等 Max-Age 20 秒。华为交换机收到 次级 BPDU（比自己存的更差的 BPDU）会立即老化，直接进入 Listening/Learning，30 秒转发。思科用 backbonefast 实现类似功能（发 RLQ 查询根是否还在）。

8. 拓扑变更机制（TCM） ​

8.1 为什么需要 TCM ​

STP 拓扑变更后，个别交换机 MAC 地址表未及时更新，会导致业务中断。TCM 通过 TCN 通告全网刷新 MAC 表重新学习。

8.2 STP TCM 流程 ​

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1. 下游接口变更(down-up / up-down) → 下游向 RP 发送 TCN
2. 上游 DP 收到 TCN → 继续向 RP 转发，直到 ROOT
3. 上游 DP 收到 TCN → 配置 BPDU 中 Flag 置 TCA=1，告知下游"已收到"，下游停止发 TCN
4. ROOT 收到 TCN → 配置 BPDU 中 Flag 置 TCA=1、TC=1，通告全网
5. 非根交换机收到 TC=1 → 刷新 MAC 表，重新学习

⚠️ TCN vs TC vs TCA

  • TCN：一类 BPDU（Type=80），下游向上游通告"发生了变更"
  • TCA：配置 BPDU Flag 中的确认位，"我收到你的 TCN 了"
  • TC：配置 BPDU Flag 中的拓扑变更位，根向全网通告"刷新 MAC 表"

9. 路径调整（如何干预 STP 选路） ​

9.1 大调（修改根） ​

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# 方法 1：改 BID 优先级
stp priority 0

# 方法 2：配主根和备份根（前提：其他 SW 都是默认值）
SW1: stp root primary        # priority = 0
SW2: stp root secondary      # priority = 4096

9.2 微调（不改变根） ​

调整对象在哪改生效条件
Cost非 DP（根端口）入向累加，改非根生效
Port PriorityDP（指定端口）改根/上游 DP 生效

💡 微调口诀

  • DP 改 Port Priority
  • 非 DP（RP）改 Cost

根上改 cost 不生效（根是源头没有入向 cost 概念），只能改 Port Priority 影响下游对端比较 PID；非根改 Port Priority 不生效（自己不产生配置 BPDU）。

10. 易混淆点与考前速记 ​

对比项结论
STP 切换30 秒（物理/直连）/ 50 秒（标准非直连）/ 30 秒（华为次级 BPDU 优化）
Max-Age 公式2 * 直径 + 2 * 3 = 20，默认直径 7
计时器改哪里只能在根上改，非根改不生效
选路 5 步RID → RPC → BID → PID → 本地 PID
TCM 作用通告全网刷新 MAC 表重新学习
DP vs 非DP 调整DP 改 Port Priority；非 DP 改 Cost

考前速记 8 条：

  1. BID = 优先级(2字节) + MAC(6字节)，PVST/MSTP 拆 4bit 优先级 + 12bit 扩展 ID
  2. 选根 → 选 RP → 选 DP → 阻塞
  3. 选路 5 步：RID → RPC → BID → PID → 本地 PID
  4. 初始化阶段靠 RID 比较；正常阶段靠 RPC 比较
  5. 入向累加 cost，出向不累加
  6. 配置 BPDU 只有根产生，其他交换机转发
  7. Max-Age = 2*直径 + 2*3 = 20 秒，默认直径 7
  8. DP 改 Port Priority；非 DP 改 Cost
真人撰写written by human