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二层环路避免-STP技术

news 2025/7/11 8:43:29

二层环路避免-STP技术

回顾交换机的工作流程

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交换机学习数据里面的MAC地址，并通过查找MAC地址表进行转发,如果没有，则广播并学习MAC地址。

LAN以太网的应用场景

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环路引起的问题之一——广播风暴

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在一个环路里面，如果交换机要广播发送数据包，那么交换机A和交换机B就会发生无限循环的现象，A广播给B，B又会广播回去。

环路引起的问题之二——交换机MAC地址表不稳定

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PCA发送数据包给交换机A，交换机A会记录MAC地址和相对应的端口，当交换机A广播发送给B，B又会广播回来，而从E0/4收到B的广播包，源MAC还是PCA的MAc地址，但是端口却变成了E0/4,此时交换机就会刷新MAC的地址表，循环往复，MAC地址表会一直刷新，造成混乱。

环路的危害总结

环路的现象
- 交换机端口指示灯以相同的频率快速闪烁
- 交换机MAC地址表震荡
环路的危害——广播风暴
- 链路堵塞
  - 广播报文在二层网络中不断泛洪，所有链路都被大量的广播报文充斥
- 主机操作系统响应迟缓
  - 主机网卡收到大量的广播报文，操作系统调用大量的CPU进程资源来识别这些广播报文
- 二层交换机管理缓慢
  - 大量二层协议广播报文需要二层交换机CPU处理，浪费大量资源，对正常的请求无法响应
- 冲击网关设备的CPU
  - 对网关IP地址的ARP请求报文，经过环路的复制转发，不断的发送到网关设备，网关设备的CPU压力不断增大，甚至崩溃

生成树协议的概念及应用场景

STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）是用于在局域网中消除数据链路层逻辑环路的协议
通过在桥之间交换BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），来保证设备完成生成树的计算过程

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STP的作用

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阻塞某端口后

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链路备份

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802.1D生成树的原理

生成树工作原理

配置了生成树的交换机之间通过传递配置BPDU，比较报文中携带的参数，完成以下工作：

在一组运行STP的交换机中选出一个网桥（Root Bridge）
每个非根交换机选择一个根端口（Root Port RP）
每个交换链路选择一个除根端口之外的转发端口——指定端口（Designated Port DP）
堵塞其他（非根非指定端口即阻塞端口）端口

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生成树基本计算过程-选举根交换机

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比较网桥ID，ID越小，优先级越高，优先级最高的就是根交换机。

生成树基本计算过程-选举非根交换机的根端口

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这个可以理解为：哪个端口离交换机越近，哪个端口就是根端口。

生成树基本计算过程-选举网段的指定端口

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在A和B中，左下方的端口已经是根端口了，所以左上方的端口没有端口和他抢指定端口，A和C同理。

B和C的下方连接的是主机。主机是没有STP协议的，不会发送BPDU，所以也不会抢指定端口。

重点在B和C之间，也是直接比较网桥ID，B小，优先级高，那么B这边就是指定端口。C那边就是堵塞端口。

配置BPDU参数

网桥ID由交换机的优先级与MAC地址组成。

网桥优先级取值范围0-65535（默认32768），必须是4096的倍数

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端口ID由发送端口的优先级与端口号组成。

端口优先级取值范围0-255（默认128），必须是16的倍数

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端口ID一般用于这种情况：

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交换机1的F0/1和F0/2抢指定端口，明显F0/1要小，所以是指定端口。

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STP协议报文

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BPDU的优劣

配置BPDU的比较

交换机遵循下面的比较原则，比较各个端口接收或缓存的BPDU，选择“最优”BPDU

先比较根网桥ID
如果根网桥ID相等，根路径开销越小越好
如果根网桥和根路径开销相等，发送网桥ID越小越好
如果根网桥ID、根路径开销和发送网桥ID相等，发送端口ID越小越好。

BPDU报文处理

BPDU在网络中的中继过程
- 网络起始，STP启动，交换机都认为自己是根网桥，发送BPDU。

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BPDU在网络的中继过程
- 网络稳定，根网桥发送BPDU，其他交换机中继根网桥的BPDU。

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STP端口判定
- 选举根网桥，比较网桥ID，根网桥上的所有端口都是指定端口。
- 选择根端口，依次比较根路径开销、发送方网桥ID、发送方端口ID。
- 选择指定端口，依次比较根路径开销、发送方网桥ID、发送方端口ID。

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STP端口状态描述

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STP端口状态迁移

STP计时器
- Hello Timer（Hello时间）
  - 根网桥发送配置BPDU的周期，默认为2秒。
- Forward Delay（转发时延）
  - 配置BPDU传播到全网的最大时延，默认为15秒。
- Message Age（消息老化时间）
  - 配置BPDU从根网桥生成开始，到当前为止所经过的时间。相当于存活时间。
- Max Message Age（最大老化时间）
  - 批评者BPDU存活时间
  - STP默认为20秒。（10个Hello周期）

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STP端口状态迁移

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网络拓扑变化——STP网络收敛

直接收敛与间接收敛

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可以理解为影响一个交换机，就是直接收敛，影响两个或以上，那就是间接收敛。

STP基本配置

Cisco
- Cisco交换机默认开启STP，只需要配置根网桥优先级和边缘端口

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华为/华三
- 华三交换机默认关闭STP，只需要手工为每台交换机开启STP。
- 开启STP后，默认协议为MSTP。

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🧠 一、为什么需要STP？

⚠️ 以太网环路的危害

在以太网中，广播帧（如ARP请求）会被所有交换机转发，如果网络中有环路，广播帧就会被不停地转发——产生“广播风暴”。

此外，环路还会导致：

MAC地址表不停变化 → 交换机学错地址
多次转发同一个帧 → 带宽被浪费
整个网络瘫痪

为了防止这种情况，STP协议可以自动关闭部分冗余链路，形成一个无环路的“生成树”拓扑结构。

🌳 二、STP基本原理

STP的目标是：

在一个有环的交换网络中选择一条主干路径，把其他冗余路径阻塞，形成一棵无环的树形结构。

STP核心机制：

选出一个根桥（Root Bridge）
计算每台交换机到根桥的最短路径
决定每条链路的状态：转发（Forwarding）或阻塞（Blocking）

🏗️ 三、STP工作过程详解

🧩 1. 选举根桥（Root Bridge）

每个交换机都有一个 桥 ID（Bridge ID）：

由两部分组成：桥优先级（默认32768） + MAC地址
比较桥 ID 大小，数值最小的成为根桥

例子：优先级相同，则比MAC地址；MAC地址最小的交换机被选为Root Bridge

🧭 2. 计算到根桥的路径成本（Path Cost）

每台非根桥的交换机，需要通过路径成本来决定最优路径。

路径成本 = 所经过链路的带宽成本（越高带宽越低成本）

带宽	成本值
10 Mbps	100
100 Mbps	19
1 Gbps	4
10 Gbps	2

🪜 3. 确定端口角色（Port Roles）

每台交换机会通过STP算法确定端口的角色：

角色	含义
根端口（RP）	连接到根桥的最短路径端口，每台交换机只有一个
指定端口（DP）	每段网段上负责转发的端口
非指定端口（Blocked）	冗余端口，避免环路，处于阻塞状态

🔄 4. 端口状态（Port State）

端口可能处于以下五种状态（STP经典五状态）：

状态	含义
Disabled	被手动禁用
Blocking	阻塞状态，监听BPDU，禁止数据转发
Listening	启动监听BPDU，不学习MAC
Learning	学习MAC地址，不转发数据
Forwarding	正常转发和学习MAC

STP工作过程中端口会从Blocking → Listening → Learning → Forwarding（约需50秒）

📩 四、BPDU（桥协议数据单元）

BPDU 是STP用于交换信息的控制帧，类型有：

配置BPDU（Configuration BPDU）：主要传输生成树信息
TCN BPDU（Topology Change Notification）：拓扑变化通知

交换机之间通过定期发送BPDU来决定：

谁是根桥
哪些端口该转发，哪些要阻塞

🧠 五、STP优缺点

✅ 优点：

自动避免环路，提升网络稳定性
支持冗余链路，提高容错性

❌ 缺点：

收敛慢（50秒）：链路变化后需要时间恢复
不能充分利用所有链路，部分链路被阻塞

⚙️ 六、STP的改进版本

协议	特点
RSTP (802.1w)	快速生成树，3~5秒收敛，取代传统STP
MSTP (802.1s)	多生成树协议，支持VLAN映射多个生成树
PVST+	Cisco私有协议，基于每个VLAN生成一棵树

🧪 七、实际配置示例（Cisco）

bash复制编辑# 设置优先级（数值越小越优先）
Switch(config)#spanning-tree vlan 1 priority 24576# 查看生成树信息
Switch#show spanning-tree# 设置端口为边缘端口（防止延迟）
Switch(config-if)#spanning-tree portfast

🧭 八、一图理解STP过程：

lua复制编辑        +---------+        +---------+| SwitchA |--------| SwitchB |+---------+        +---------+\               /\             /\           /+---------+| SwitchC |+---------+- 先选出 Root Bridge（比如A）
- 其他交换机计算到A的路径成本
- 决定各端口角色
- 冗余的端口进入Blocking状态，形成无环拓扑

✅ 九、总结

关键概念	说明
根桥（Root Bridge）	STP结构的核心，由优先级+MAC最小选出
BPDU	用于交换生成树信息的协议帧
端口角色	根端口、指定端口、非指定端口（阻塞）
状态流程	Blocking → Listening → Learning → Forwarding
STP问题	收敛慢，可通过RSTP、MSTP等优化