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计算机网络 - stp生成树实验

news 来源：原创 2025/5/3 6:06:11

【实验假设】

我们使用 Cisco Packet Tracer 或类似的模拟软件，或物理的 Cisco 交换机。
交换机初始为默认配置（或已通过 write erase 和 reload 清除配置）。
PC 已配置 IP 地址如下（示例）：
- PC0: 192.168.1.11 / 255.255.255.0
- PC1: 192.168.1.22 / 255.255.255.0
- PC2: 192.168.1.33 / 255.255.255.0
- PC3: 192.168.1.44 / 255.255.255.0

【实验步骤】

第一部分：观察无生成树协议时的问题

目标：理解在没有 STP 的冗余拓扑中出现的广播风暴、MAC 地址漂移和网络不稳定现象。

构建拓扑:
- 在工作区放置四台 2960 交换机（或类似型号）。标记为 SW0, SW1, SW2, SW3。
- 放置四台 PC。标记为 PC0, PC1, PC2, PC3。
- 使用直通双绞线按照 OCR 第 1 页的图示连接设备：
  - PC0 -> SW0 (Fa0/1)
  - PC1 -> SW1 (Fa0/1)
  - PC2 -> SW2 (Fa0/1)
  - PC3 -> SW3 (Fa0/1)
  - SW0 (Fa0/24) <-> SW1 (Fa0/24)
  - SW0 (Fa0/22) <-> SW1 (Fa0/22)
  - SW0 (Fa0/23) <-> SW2 (Fa0/22)
  - SW1 (Fa0/23) <-> SW3 (Fa0/22)
  - SW2 (Fa0/24) <-> SW3 (Fa0/24)
  - SW2 (Fa0/23) <-> SW3 (Fa0/23)
- （注意：请仔细检查您的连接是否与您使用的拓扑图完全一致，特别是 SW2 和 SW3 之间的连接。）
配置 PC IP 地址:
- 点击 PC0 -> 桌面 (Desktop) 选项卡 -> IP 配置 (IP Configuration)。
- 输入 IP 地址：192.168.1.11，子网掩码：255.255.255.0。
- 对 PC1 (192.168.1.22), PC2 (192.168.1.33), PC3 (192.168.1.44) 重复此操作。
禁用生成树协议:
- 点击 SW0 -> CLI 选项卡。
- 输入以下命令：
```
      enable
configure terminal
no spanning-tree vlan 1  # 在 VLAN 1 上禁用 STP
end
```
- 在 SW1, SW2, 和 SW3 上重复这些命令。
- （注意：STP 在 Cisco 交换机上通常默认启用。此步骤是为了观察目的确保它已关闭）。
测试连通性并观察问题:
- 在 PC0 上，打开命令提示符 (Command Prompt)。
- 启动到 PC2 的持续 ping：
```
      ping -t 192.168.1.33
```
- 观察现象: 查看 ping 的结果。您很可能会看到：
  - 频繁或完全出现 Request timed out.（请求超时）。
  - 可能偶尔有零星的回复。
  - （在模拟器或物理设备上）观察交换机上的链路指示灯过度闪烁，表明存在广播风暴。如果可以检查交换机 CPU 利用率，会发现非常高。检查 MAC 地址表 (show mac address-table) - 你可能会看到同一个 MAC 地址在不同端口之间快速切换（MAC 地址漂移）。这证明了二层环路导致的不稳定性。
- 观察到现象后，在 PC0 上按 Ctrl+C 停止 ping。

第二部分：配置和验证 STP (802.1D)

目标：实施标准 STP 以防止环路，并观察其收敛过程。

启用 STP (802.1D 模式):

在 SW0 -> CLI 选项卡:

      enable
configure terminal
spanning-tree mode pvst
spanning-tree vlan 1       # 为 VLAN 1 启用/确保启用 STP
end

在 SW1, SW2, 和 SW3 上重复这些命令。

等待收敛: STP (802.1D) 需要时间（30-50秒）使端口经历阻塞 -> 侦听 -> 学习 -> 转发状态转换。等待大约 1 分钟。
验证 STP 状态:
- 在每台交换机 (SW0, SW1, SW2, SW3) 上运行命令：
```
      show spanning-tree vlan 1
```
- 观察现象:
  - 识别根桥 (Root Bridge): 查找显示 “This bridge is the root” 的交换机。根据最低的 MAC 地址（来自 OCR 第 1 页：SW3 的 MAC 为 ...01E1），如果优先级都是默认值 (32768)，SW3 应该是根桥。
  - 识别端口角色/状态: 在非根桥 (SW0, SW1, SW2) 上，识别 根端口 (Root Port - Root) - 到根桥路径开销最低的端口。识别 指定端口 (Designated Port - Desg) - 将流量转发到某个网段的端口。识别 阻塞端口 (Blocked Port - BLK) - 被 STP 逻辑关闭以防止环路的端口。注意 Cost（开销）和 Sts（状态：FWD, LIS, LRN, BLK）。每个环路中至少应有一个端口处于 BLK 状态。
  - 例如：在 SW0 上，检查输出。将其与 OCR 第 1 页的输出进行比较（尽管那个显示的是 RSTP，但结构类似）。识别哪个端口是根端口、指定端口或阻塞端口。
测试连通性:
- 在 PC0 上，打开命令提示符。
- 启动到 PC2 的持续 ping：
```
      ping -t 192.168.1.33
```
- 观察现象: Ping 现在应该是稳定的，有持续的回复。STP 已经创建了一个无环路的拓扑。
- 按 Ctrl+C 停止 ping。
(可选) 影响根桥选举:
- 在 SW0 -> CLI 选项卡:
```
      configure terminal
spanning-tree vlan 1 priority 4096  # 设置一个较低的优先级使 SW0 成为根桥
end
```
- 等待约 1 分钟收敛。
- 在所有交换机上再次运行 show spanning-tree vlan 1。
- 观察现象: SW0 现在应该报告 “This bridge is the root”。观察 SW1, SW2, SW3 上的根端口和阻塞端口是如何变化的。
- 如果需要，重置 SW0 上的优先级：
```
      configure terminal
no spanning-tree vlan 1 priority
end
```

第三部分：配置和验证 RSTP (802.1W)

目标：实施 RSTP 并观察其比 STP 更快的收敛速度。

启用 RSTP 模式:
- 在 SW0 -> CLI 选项卡:
```
      enable
configure terminal
spanning-tree mode rapid-pvst # 设置模式为 RSTP (Cisco 常用 rapid-pvst)
end
```
  （注意：rapid-pvst 是 Cisco 针对每个 VLAN 的快速 STP 实现。根据您的设备或实验指导，也可能使用 spanning-tree mode rstp 命令。）
- 在 SW1, SW2, 和 SW3 上重复这些命令。
验证 RSTP 状态:
- RSTP 收敛速度快得多（几秒钟内）。
- 在每台交换机上运行：
```
      show spanning-tree vlan 1
```
- 观察现象:
  - 根桥应该和之前一样（除非更改了优先级，否则可能是 SW3）。
  - 注意端口角色：根端口 (Root Port - Root), 指定端口 (Designated Port - Desg), 替代端口 (Alternate Port - Altn), 备份端口 (Backup Port - Back)。替代端口提供了一条朝向根桥的备用路径（但不是根端口），是阻塞状态的一种。
  - 注意端口状态：FWD (转发), LRN (学习), DISC (丢弃)。阻塞/侦听状态合并为丢弃状态。
测试 RSTP 收敛（故障模拟）:
- 识别活动路径: 根据 show spanning-tree 输出（特别是 SW0 上的根端口），确定从 PC0 到 PC3 的当前活动路径。例如，如果 SW0 的 Fa0/22 是根端口，路径可能是 PC0 -> SW0 -> SW1 -> SW3 -> PC3 (需要检查 SW1 和 SW3 上的端口状态确认)。
- 启动 Ping: 在 PC0 上，启动到 PC3 的持续 ping：
```
      ping -t 192.168.1.44
```
  等待稳定的回复。
- 模拟链路故障: 在 SW0 -> CLI 选项卡 (假设 Fa0/22 是当前活动路径上的根端口):
```
      configure terminal
interface FastEthernet0/22
shutdown                   # 关闭端口模拟链路故障
end
```
- 观察收敛: 密切关注 PC0 上的 ping 输出。在回复恢复之前，你应该只看到很少（可能是 0-2 个）Request timed out. 消息。这证明了 RSTP 的快速收敛。
- 验证新路径: 在 SW0 上再次运行 show spanning-tree vlan 1。Fa0/22 应该处于 DOWN（关闭）或 DISCARDING（丢弃）状态。另一个端口（例如 Fa0/23 或 Fa0/24）现在应该成为了根端口（状态变为 FWD）。检查其他交换机，看看角色可能发生了什么变化。
- 恢复链路: 在 SW0 -> CLI 选项卡:
```
      configure terminal
interface FastEthernet0/22
no shutdown                # 重新启用端口
end
```
- 观察恢复: 观察 ping 输出。当原始路径被 RSTP 快速恢复时，回复应保持稳定或几乎立即恢复。使用 show spanning-tree vlan 1 验证 Fa0/22 是否回到了其原始角色（很可能是根端口，FWD 状态）。
- (可选) 重复: 尝试关闭其他活动或备用链路（例如，如 OCR 第 3 页建议的在 SW0 上关闭 interface FastEthernet0/23 或 interface FastEthernet0/24）并观察收敛情况。