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STP技术

news 2025/7/31 12:24:24

一、环路引起的问题

1.回顾mac表

当 PCA（MAC：00-0D-56-BF-88-10 ）给 SWA 发数据时，数据从 SWA 的 E0/2 端口 “进入” 。
交换机 SWA 会 “学习”：“PCA 的 MAC 地址 00-0D-56-BF-88-10 ，是从 E0/2 端口收到的” → 于是在 SWA 的 MAC 表中，“目的 MAC=PCA 的 MAC” 对应的 “目的端口 = E0/2” （意思是：以后要发数据给 PCA，从 E0/2 端口转发）。

二、STP的概念及应用场景

三、STP的作用

1.STP基本原理

STP即生成树协议，它通过阻断冗余链路来消除桥接网络中可能存在的路径环路。在一个网络中，当存在多条路径连接不同的网络设备（如交换机，图中的 SWA、SWB、SWC ）时，可能会形成物理环路，这会导致广播风暴、多帧复制等问题，影响网络的正常运行。STP 通过在交换机之间交换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），来计算出一个无环的网络拓扑结构，将某些端口设置为阻塞状态，从而避免网络环路的产生。

2. 冗余链路的作用与激活

冗余链路：在网络中，冗余链路是为了提高网络的可靠性而设置的备份链路。比如图中被阻塞的链路，在正常情况下虽然不传输数据，但当网络中的其他链路出现故障时，它就可以发挥作用。
故障恢复：当当前正在使用的路径发生故障时，STP 会检测到链路状态的变化，然后激活之前被阻塞的冗余备份链路，恢复网络的连通性。例如，如果 SWA 和 SWC 之间的链路出现故障，原本被阻塞的 SWB 的 E0/20 端口可能会被重新激活，使得网络流量可以通过其他路径传输，保证网络的正常通信。

3.STP报文

四、STP的工作原理

1. 基础逻辑：BPDU 交互

核心是交换机间通过交互 BPDU（桥协议数据单元），完成拓扑收敛，消除环路。

BPDU 里包含网桥优先级、MAC 地址、路径开销等参数，交换机，依靠这些参数，确定网络角色（根网桥、端口角色），构建无环拓扑。

2.BPDU参数

2.1网桥ID

由交换机的优先级和MAC地址组成。网桥优先级取值范围必须在0-65535之中，同时也必须是4.96的倍数。

2.2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。

2.3路径开销

3. 角色选举

基于 BPDU 交互，STP 会依次完成以下关键动作，最终让网络无环且保留冗余：

3.1 选根网桥

规则：网桥优先级（默认 32768 ）+ MAC 地址，数值越小越优先。
作用：选 1 台 “主交换机” 当根，所有交换机以它为中心计算拓扑，避免多中心导致环路。

3.2 非根交换机选根端口

规则：非根交换机上，选 “到根网桥路径开销最小” 的端口（路径开销由链路带宽等决定，带宽越小开销越大 ）。
作用：每台非根交换机只留 1 条最优 “上联根网桥” 的通道，避免同一设备多条路径回根引发环路。

3.3 每个网段选指定端口

规则：每个物理网段（如两台交换机之间的链路）里，选 “到根网桥路径开销最小” 的端口（网段内所有设备对比，最终 1 个端口当选）。

当每个交换机的根端口选举出来之后，切换视角，以链路为视角。链路两边的BPDU进行评比，选举角色。
1.如果两个端口中，一个是根端口，另一个就是指定端口
2.如果这个端口是根网桥上的端口，那么就一定是指定端口
3.如果另一端连接的是主机，那么这个端口一定时指定端口
4.如果上面都不是，那么就进行评比，这个时候一般比较>根路径开销->发送方网桥ID->发送端口号->接收端口号

作用：保证每个网段只有 1 个 “转发端口” 向根网桥传递流量，防止网段内环路。

3.4 逐个网段分析（以图为例）

（1）LANA 网段（连 SWA 和 SWB ）

SWA 的端口：到根网桥（自己）的路径开销是 0（根网桥自己的开销为 0 ），所以 SWA 在 LANA 网段的端口总开销 = 0 + LANA 链路开销（4 ）= 4 。
SWB 的端口：到根网桥的总路径开销是 4（SWB → LANA → SWA ，开销 4 ），所以 SWB 在 LANA 网段的端口总开销 = 4 + LANA 链路开销（4 ）= 8 。

比较两个端口的总开销：4（SWA 端口） < 8（SWB 端口） → SWA 在 LANA 网段的端口被选为指定端口。

（2）LANB 网段（连 SWA 和 SWC ）

SWA 的端口：到根网桥开销 0 ，总开销 = 0 + LANB 链路开销（4 ）= 4 。
SWC 的端口：到根网桥的总路径开销是 4（SWC → LANB → SWA ，开销 4 ），总开销 = 4 + LANB 链路开销（4 ）= 8 。

比较后：4（SWA 端口） < 8（SWC 端口） → SWA 在 LANB 网段的端口被选为指定端口。

（3）LANC 网段（连 SWB 和 SWC ）

SWB 的端口：到根网桥的总路径开销是 4（SWB → LANA → SWA ），所以 SWB 在 LANC 网段的端口总开销 = 4 + LANC 链路开销（4 ）= 8 。
SWC 的端口：到根网桥的总路径开销是 4（SWC → LANB → SWA ），所以 SWC 在 LANC 网段的端口总开销 = 4 + LANC 链路开销（4 ）= 8 。

此时，路径开销相同，需要比桥 ID：

SWB 的桥 ID：32768 + 00e0-fc41-4259
SWC 的桥 ID：32768 + 00e0-fc41-43b9

比较 MAC 地址（十六进制）：00e0-fc41-4259 < 00e0-fc41-43b9 → SWB 的桥 ID 更小 → SWB 在 LANC 网段的端口被选为指定端口，SWC 对应的端口成为 Alternate Port（备用端口，阻塞状态）。

（4）LAND 网段（连 SWB ）

这个网段只有 SWB 一个交换机的端口（因为 LAND 是末端网段，没有其他交换机）。根据规则，单个交换机的端口自动成为指定端口 → SWB 在 LAND 网段的端口是指定端口。

（5）LANE 网段（连 SWC ）

同理，LANE 是末端网段，只有 SWC 的端口 → SWC 在 LANE 网段的端口自动成为指定端口。

（4）阻塞冗余端口（非根非指定端口）

规则：既不是根端口、也不是指定端口的端口，进入阻塞（Blocking ）状态，不转发用户数据（仅收 BPDU 维持拓扑）。
作用：直接 “切断” 冗余链路的转发功能，从物理拓扑上消除环路；但链路仍保留，故障时可自动激活。

综合分析：

4.STP协议报文

5.STP端口状态描述

端口状态	中文描述	转发数据帧	学习 MAC 地址表	参与生成树计算	处理 BPDU
Disabled	端口没有启用	❌	❌	❌	❌
Blocking	阻塞状态	❌	❌	❌	接收并处理
Listening	侦听状态	❌	❌	✅	接收并发送
Learning	学习状态	❌	✅	✅	接收并发送
Forwarding	转发状态	✅	✅	✅	接收并发送

6.STP端口状态改变

1.时间计时器

Hello Timer（Hello 时间）

作用：根网桥周期性发送 “配置 BPDU” 的时间间隔，默认 2 秒。

触发：非根网桥靠收根桥的 BPDU 维持状态，若收不到，会触发拓扑重新计算。

Forward Delay（转发时延）

作用：端口状态迁移的 “过渡时间”，默认 15 秒，控制 “监听→学习→转发” 的等待时长。

端口从监听状态到学习状态，需要等待一个 Forward Delay 时长，即 15 秒；
从学习状态到转发状态，又需要等待一个 Forward Delay 时长，同样是 15 秒。
所以，端口从监听状态最终进入转发状态，经历了两次 Forward Delay 的等待，总计 30 秒。

Message Age（消息老化时间）

作用：记录 “配置 BPDU 从根网桥生成后，到当前交换机的时间”，每经过一个交换机，Message Age 会累加（默认每跳 + 1 ）。

网桥在转发 BPDU 时，会根据 Message Age 判断 BPDU 的时效性。如果 Message Age 超过 Max Message Age，网桥会认为该 BPDU 已经过期，不再使用这个 BPDU 中的信息，可能会导致端口状态的重新计算和迁移。例如，当网络中的链路出现故障，BPDU 的传递路径发生改变，Message Age 可能会增加，若超过限制，端口可能会重新进入阻塞状态，重新参与生成树计算。