STP协议中的BPDU详解：概念、报文格式与时间参数
STP协议中的BPDU详解：概念、报文格式与时间参数
STP（生成树协议）中的BPDU（桥协议数据单元）是确保交换网络无环路的关键机制。本文将详细介绍BPDU的基本概念、报文格式、两种类型的BPDU（配置BPDU和TCN BPDU）及其用途，以及STP的时间参数等核心知识点。
BPDU基本概念
桥协议数据单元（Bridege Protocol Data Unit，BPDU）是STP的协议报文，直接封装在二层协议中，是STP能够正常工作的根本。BPDU主要由4部分组成：
- 根桥ID
- 发送者到根桥的开销（RPC）
- 发送者桥ID
- 发送者桥端口（端口优先级128 + 端口ID）
四部分中只有根桥ID不变，其余3部分会变化。BPDU hello报文间隔2秒，最大age时间20秒，即若20秒没有收到根桥发来的BPDU，则认为根桥挂了，将重新进行根桥选举。
BPDU报文格式
配置BPDU报文格式
字段 | 描述 |
|---|---|
Protocol Identifier | 生成树协议ID，对STP而言，该字段的值总是为0。 |
Protocol version Identifier | 用于描述当前使用的协议版本号：STP(802.1D)传统生成树,值为0;RSTP(802.1W)快速生成树,值为2；MSTP(802.1S)多生成树,值为3; |
BPDU Type | 描述当前BPDU消息类型：配置BPDU类型(0x00)，用于建立、维护STP拓扑；TCN BPDU类型(0x80)，传达拓扑变更消息；RSTP/MSTP BPDU类型(0x02)； |
BPDU Flags | 由8位组成，只使用最高位(第一个bit)和最低位(最后一个bit)，其余6位保留。最低位=TC(Topology Change，拓扑变化)标志，最高位=TCA(Topology Change Acknowledgement，拓扑变化确认)标志 |
Root Identifier | 根网桥的桥ID，由2字节的桥优先级+6字节的MAC地址组成。 |
Root Path Cost | 根路径开销，描述发送该BPDU报文的端口累计到根桥的开销。 |
Bridge Identifier | 指定桥ID，本交换机的BID。描述该BPDU的桥ID，由2字节的桥优先级+6字节的MAC地址组成。 |
Port Identifier | 指定端口ID，即“发送端口ID”。描述由优先级+端口号组成。 |
Message Age | 该BPDU报文的生存时间。即端口保存BPDU的最长时间，过期后将删除，要在这个时间内转发才有效，如果配置BPDU是直接来自根桥的，则Message Age为0，如果是其他桥转发的，则配置BPDU报文经过一个桥，Message Age增加1。 |
MAX age | BPDU消息的最大生存时间(即老化时间)。默认20s |
Hello Time | 发送两个相邻BPDU的时间间隔。默认2s根桥通过不断发送STP维持自己的地位，Hello time 是发送的间隔时间 |
Forward Delay | 最大延迟时间，默认15s。(端口状态迁移的延迟时间)端口从listening -> learning 或 learning -> forwarding 的转态需要时间。 |
TCN BPDU报文格式
TCN BPDU和配置BPDU在结构上基本相同，也是由源/目的MAC地址、L/T位、逻辑链路头和BPDU数据组成。TCN BPDU的BPDU数据组成非常简单，只包含三部分信息：
- 协议类型：字段和配置BPDU相同
- 协议版本号：字段和配置BPDU相同
- BPDU类型：字段的值为0x80，表示该BPDU为TCN BPDU。
TCN BPDU有两个产生条件：
- 网桥上有端口转变为Forwarding状态，且该网桥至少包含一个指定端口。
- 网桥上有端口从Forwarding状态或Learning状态转变为Blocking状态。
当上述两个条件之一满足时，说明网络拓扑发生了变化，网桥需要使用TCN BPDU通知根桥。根桥可以通过将配置BPDU中对应标志位置位来通知所有网桥网络拓扑发生了变化，需要使用较短的MAC地址老化时间，保证拓扑的快速收敛。
BPDU两种报文类型详情
配置BPDU
配置BPDU用于构建、维护STP树。在STP的初始化过程中，每台交换机都会产生并发送配置BPDU。在STP树形成后的稳定期，只有根桥才会周期性地发送配置BPDU；相应的，非根桥会从自己的根端口收到配置BPDU,并更新自己的配置BPDU，再从指定端口发送出去。这个过程看起来像根桥发出的配置BPDU逐跳的经过了其它交换机。
拓扑变化通知BPDU（TCN BPDU）
拓扑变更通告（Topology Change Notification BPDU，TCN BPDU）用于通告网络拓扑的变化，这种BPDU是当交换机检测到拓扑发生变更时所产生TCN BPDU。是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发。
TCN BPDU的格式非常简单，只有“协议ID”、“协议版本ID”以及"BPDU类型"三个字段，并且“BPDU”字段的值为0x80。TCN BPDU用于在网络拓扑发成变化时向根桥通知变化的发生。
对于STP而言，当拓扑发生变更时，远离变更点的交换机无法直接感知到变化的发生，此时它们的MAC地址表项还是老旧的，如果依然通过这些MAC地址表项来指导数据转发，便有可能出现问题。因此STP需要一种机制，用于在网络中发生拓扑变更时促使全网的交换机尽快老化自己的MAC地址表项，以适应新的网络拓扑。当拓扑稳定时，网路中只会出现配置BPDU，而当拓扑发生变更时，STP会使用TCN BPDU，以及两种特殊的配置BPDU。
STP的时间参数
在STP的计算过程中，BPDU的时间有三种：Hello Time、Max Age、Forward Delay。
Hello Time
STP交换机发送配置BPDU的时间间隔，默认是2秒。如果要修改时间参数，那么必须在根桥上修改才有效。用于设备检测链路是否存在故障。Hello时间控制了发送配置BPDU的时间间隔，默认2秒。这是根交换机生成BPDU并向非根交换机发送的间隔。
生成树协议每隔Hello Time时间会发送BPDU，以确认链路是否存在故障。如果设备在超时时间(超时时间＝超时时间因子×3×Hello Time)内没有收到BPDU，则会由于消息超时而重新计算生成树。
非根交换机接收到根交换机发送来的BPDU，再从除接收端口以外的其他端口转发出去，如果在2-20秒里面由于网络故障没有新的BPDU从根交换机发送过来，非根交换机将停止向外发送从根交换机接收到的BPDU。如果这种情况持续20秒，也就是最大存活期，非根交换机就使原储存的BPDU无效，并开始寻找新的根端口。
所谓最大存活期就是非根交换机丢弃BPDU前用来备份储存它的时间。
Max Age
BPDU 的最大生存时间，也称为BPDU的老化时间，Max Age的值由根桥指定，默认值是20秒。如果端口在20秒内收到BPDU，最大生存时间会重新计时；如果端口一直没收到 BPDU ，那么BPDU将会老化，设备会重新在端口上选择最优BPDU，也就是重新进行根接口的选举。
用于判断BPDU在设备内的保存时间是否“过时”，设备会将过时的BPDU丢弃。缺省情况下Max Age时间为20秒。
在MSTP的CIST上，设备根据Max Age时间来确定端口收到的BPDU是否超时。如果端口收到的BPDU超时，则需要对该MSTI重新计算。Max Age时间对MSTP的MSTI无效。
STP每隔一个Hello Time发送一个BPDU，并且引入Keepalive机制。Hello包的发送可以避免最大失效定时器溢出。如果最大失效定时器溢出，通常表明有连接错误发生。此时，STP会进入Listening状态。STP要从连接错误中恢复过来，一般需要50秒的时间。其中BPDU最长的失效时间20秒；Listening状态持续15秒；Learning状态持续15秒。
Forward Delay
接口从侦听状态进入学习状态，或从学习状态进入转发状态的延迟时间，默认值是15秒。避免在STP树的生成过程中可能出现的临时环路，或短暂的数据帧泛洪现象，分别在侦听和学习的端口状态各停留一个转发延迟时间。对于STP而言，一个阻塞端口选举为根接口或指定接口后，进入转发状态至少需要经历30秒的时间。
用于确定状态迁移的延迟时间。缺省情况下，Forward Delay时间为15秒。
链路故障会引发网络重新进行生成树的计算，生成树的结构将发生相应的变化。不过重新计算得到的新BPDU无法立刻传遍整个网络，如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话，可能会造成暂时性的环路。为此，生成树协议在端口由Blocking状态向Forwarding状态迁移的过程中设置了Listening和Learning状态作为过渡(Listening和Learning状态都会持续Forward Delay时间)，并规定状态迁移需要等待Forward Delay时间，以保持与远端的设备状态切换同步。新选出的根端口和指定端口要经过2倍的Forward Delay延时后才能进入转发状态，这个延时保证了新的BPDU已经传遍整个网络。
为保证网络拓扑的快速收敛，需要配置合适的时间参数。上述三个时间参数之间应满足以下关系，否则会引起网络的频繁震荡：
2×(Forward Delay－1秒)≥Max Age
Max Age≥2×(Hello Time＋1秒)
