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【网络工程师】物理二层STP协议

news 2025/11/3 9:40:14

STP协议，Spanning Tree Protocol，生成树协议。

前提条件

STP使用的前提条件是：交换机设备接线完成，没有物理连接，BPDU就无法传递，STP也就无法计算。

  • 物理接线：为城市修建了所有可能的道路，包括各种大路、小路、环形路
  • STP协议：像是城市的交通管制中心，他的职责是在路修好之后，通过设置阻塞端口，关闭会导致环路和拥堵的道路，确保物理层从任意 一点到另一点，只有一条逻辑上无环的路径是通的。

STP决定逻辑流量的走向，默认接线之后物理链路就通了，但数据流量（如你的ping包、网页访问）能否通过，要由STP说了算。

场景举例

假设有两台交换机SW1和SW2，我们用两条网线将它们连接起来，形成了一个物理环路。

  1. 第一步：物理接线
  2. 第二步：STP自动运行（默认启用）
  3. 第三步：逻辑拓扑形成
    • 虽然两条物理线缆都是接通的，但逻辑上只有 SW1-G0/0/1 <-> SW2-G0/0/1 这条路径可以传递用户流量
    • SW1-G0/0/2 <-> SW2-G0/0/2 这条链路被STP逻辑上“断开”了（端口被阻塞），用于防止环路，并作为备用路径。
  4. 第四步：故障切换
    • 如果活动的链路（线1）突然断掉，STP会重新计算。
    • 之前被阻塞的端口（SW2的G0/0/2）会经历从 阻塞 -> 侦听 -> 学习 -> 转发 的状态变迁（在RSTP中是快速切换），接替成为新的活动链路。

基础概念

STP目的与作用

为了实现网络的高可用性，工程师会部署冗余链路。但这带来了一个致命问题：二层环路。

二层环路的三大危害：

  1. 广播风暴：交换机会从所有端口泛洪广播、组播和未知单播帧。在环路中，这类帧会无休止地循环，耗尽所有链路带宽，最终导致网络瘫痪。
  2. MAC地址表震荡：同一个MAC地址会从交换机的不同端口被学习到，导致MAC地址表项不断被刷新，使得交换机无法正确转发数据帧。
  3. 多帧复制：目的主机可能会收到多个重复的数据帧，导致上层应用处理异常。

核心目的：
STP的根本目的就是在具有物理环路的交换网络中，逻辑上阻塞一个或多个端口，打破环路，形成一棵无环的“树”。同时，当活动路径发生故障时，STP能够自动激活被阻塞的备用路径，实现网络的高可用性。

关键技术详解

STP通过在二层之间传递一种特殊的报文——BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），来完成树的生成。

桥协议数据单元

BPDU是交换机之间交互的语言，其中包含的关键信息有：

  • 根桥ID：由桥优先级和MAC地址组成。
  • 根路径开销：到达根桥的累计路径开销。
  • 指定桥ID和指定端口ID。

STP 的选举步骤（重中之重）

生成树的构建过程就是一系列选举过程，遵循“优胜劣汰”原则。

  • 第一步：选举根桥
    • 规则：比较桥ID，值越小越优。
    • 桥ID = 桥优先级（默认32768） + MAC地址。
    • 先比较优先级，优先级相同则比较MAC地址，MAC地址越小越优。
    • 根桥是所有流量的中心，理想情况下应该将其放置在网络核心，并手动指定性能最好、位置最核心的交换机为根桥。
  • 第二步：在每个非根桥上选举根端口
    • 规则：每个非根桥上有且只有一个端口朝向根桥，这个端口就是根端口。
    • 选举依据（逐条比较）：
      1. 最低的根路径开销：到达根桥累计开销最小的端口。
      2. 对端桥ID最小：如果根路径开销相同，则比较发送BPDU的对端交换机的桥ID。
      3. 对端端口ID最小：如果对端桥ID也相同，则比较对端发送BPDU的端口ID（由端口优先级和端口号组成）。
  • 第三步：在每个链路上选举指定端口
    • 规则：每个物理链路上有且只有一个指定端口，负责向该链路转发发往根桥方向的BPDU。
    • 选举依据：
      1. 本机到达根桥的路径开销最小。
      2. 本机桥ID最小。
      3. 本机端口ID最小。
    • 根桥的所有端口都是指定端口。
  • 第四步：阻塞剩余端口
    • 既不是根端口，也不是指定端口的端口将被置为阻塞状态。这个端口逻辑上被关闭，不转发用户数据，只监听BPDU，从而打破了环路。

非根桥上根端口

端口状态机

为了防止临时环路，STP端口有严格的状态迁移过程：

  • 阻塞：不转发数据帧，监听BPDU。（到下一个状态需要20秒）
  • 侦听：不转发数据帧，参与计算，收发BPDU。（15秒）
  • 学习：不转发数据帧，但开始学习MAC地址。（15秒）
  • 转发：正常转发数据帧和学习MAC地址。
  • 禁用：管理员关闭或链路断开。

从阻塞到转发需要 30-50秒（20+15+15） 的延迟，这是传统STP的主要缺点。

STP 的演进与使用注意事项

STP 的变体

  • STP：最初的IEEE 802.1D标准，速度慢。

  • RSTP：快速生成树，IEEE 802.1w。引入了替代端口和备份端口的概念，利用P/A机制实现了秒级收敛。是目前实际部署的绝对主流。

  • MSTP：多实例生成树，IEEE 802.1s。华为设备默认模式。它允许将多个VLAN映射到不同的生成树实例上，实现负载分担。

使用注意事项与最佳实践

  • 务必手动指定根桥和备份根桥：让网络中最核心、性能最好的交换机作为根桥，避免边缘接入交换机意外成为根桥。

  • 理解RSTP/MSTP的快速收敛机制：

    • 边缘端口：连接PC、服务器等终端设备的端口，应配置为边缘端口，使其立即进入转发状态，且不触发拓扑变更。stp edged-port enable

    • 根保护：在不应成为根端口的端口上配置根保护，防止因收到更优的BPDU而改变拓扑。stp root-protection

    • BPDU保护：在边缘端口上配置，如果收到BPDU则立即Error-Down该端口，防止非法设备接入引发拓扑变化。stp bpdu-protection

  • 防止TC-BPDU攻击：开启TC-BPDU防护，限制单位时间内处理TC-BPDU的次数。stp tc-protection

  • MSTP的Region配置必须一致：Region名称、修订级别、VLAN与实例的映射关系，在Region内所有交换机上必须完全一致，否则无法正常计算。

华为设备配置命令

MSTP配置

# 进入系统视图
<Huawei> system-view# 启用STP（默认可能就是开启的，但确认一下）
[Huawei] stp enable# 指定STP模式为MSTP（默认就是MSTP）
[Huawei] stp mode mstp# 进入MST域视图
[Huawei] stp region-configuration# 配置MST域的名称
[Huawei-mst-region] region-name MyNetwork# 配置MST域的修订级别（通常保持默认0即可，如需变更则所有设备需一致）
[Huawei-mst-region] revision-level 0# 配置VLAN与实例的映射关系
# 实例0是默认实例，所有VLAN默认属于实例0。我们创建新的实例来实现负载分担。
[Huawei-mst-region] instance 1 vlan 10 to 20   # 将VLAN 10-20映射到实例1
[Huawei-mst-region] instance 2 vlan 30 to 40   # 将VLAN 30-40映射到实例2# 激活MST域配置（必须执行！）
[Huawei-mst-region] active region-configuration
[Huawei-mst-region] quit# ---------------根桥与备份根桥配置---------------
# 方法一：使用primary命令（推荐）
# 将当前交换机配置为实例0的根桥
[Huawei] stp instance 0 root primary# 将当前交换机配置为实例0的备份根桥
[Huawei] stp instance 0 root secondary# 方法二：手动修改桥优先级（更精确控制）
# 优先级必须为4096的倍数。值越小，优先级越高。
[Huawei] stp instance 1 priority 0      # 成为实例1的主根
[Huawei] stp instance 2 priority 4096   # 成为实例2的备份根# ---------------端口优化与保护配置---------------
# 进入接口视图（以GigabitEthernet 0/0/1为例）
[Huawei] interface GigabitEthernet 0/0/1# 将该端口配置为边缘端口（连接PC/服务器）
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp edged-port enable# 在该端口上启用BPDU保护（通常与边缘端口配合使用，收到BPDU报文立即error down该端口，防止非法设备接入）
# 注意：BPDU保护需要在系统视图下全局开启
[Huawei] stp bpdu-protection
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] quit# 在另一个端口上（如上行端口）配置根保护，在不应该成为根端口的端口配置，防止接收到更优的BPDU报文后，自动更新
[Huawei] interface GigabitEthernet 0/0/24
[Huawei-GigabitEthernet0/0/24] stp root-protection# 配置端口路径开销（影响根端口/指定端口选举）
[Huawei-GigabitEthernet0/0/24] stp cost 20000# 配置端口优先级（影响指定端口选举）
[Huawei-GigabitEthernet0/0/24] stp port priority 16# ---------------全局保护功能配置---------------
# 启用TC-BPDU保护
[Huawei] stp tc-protection
[Huawei] stp tc-protection threshold 10  # 可选：设置每10秒内最大处理TC BPDU数量# 全局启用BPDU保护（前面已提及）
[Huawei] stp bpdu-protection# ---------------查看与诊断命令---------------
# 查看STP全局状态
<Huawei> display stp global# 查看指定端口的STP状态
<Huawei> display stp interface GigabitEthernet 0/0/1# 查看指定MSTI的简要信息
<Huawei> display stp instance 0 brief# 查看MST域配置信息
<Huawei> display stp region-configuration# 查看根桥信息
<Huawei> display stp root

STP配置命令（IEEE 802.1D）

STP配置相对简单，主要关注根桥、端口成本和优先级。

# ----------------根桥与优先级配置----------------------
# 方法一：直接指定主根桥和备份根桥（设备会自动计算合适的优先级）
[Huawei] stp root primary    # 本机成为根桥（优先级自动设置为0）
[Huawei] stp root secondary  # 本机成为备份根桥（优先级自动设置为4096）# 方法二：手动精细配置桥优先级（必须是4096的倍数，值越小越优）
[Huawei] stp priority 0      # 设置为最高优先级，确保成为根桥
[Huawei] stp priority 4096   # 设置为次高优先级，作为备份根桥# ----------------端口参数调整---------------------
# 通过调整端口参数，可以影响根端口和指定端口的选举。
# 进入接口视图
[Huawei] interface GigabitEthernet 0/0/1# 配置端口路径开销（影响根端口选举，开销值越小越优）
# 需要根据华为的开销标准来设置，例如万兆链路和千兆链路使用不同值
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost 20000# 配置端口优先级（影响指定端口选举，值越小越优，步长为16）
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp port priority 16# 退出接口视图
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] quit# ----------------STP诊断与查看命令---------------------
# 查看STP全局状态
<Huawei> display stp# 查看指定端口的STP状态和详细信息
<Huawei> display stp interface GigabitEthernet 0/0/1# 查看根桥信息
<Huawei> display stp root

RSTP配置命令（IEEE 802.1w）

RSTP配置在包含STP所有命令的基础上，增加了用于实现快速收敛和安全性的关键配置。

# 1. 根桥与优先级配置（与STP相同）
[Huawei] stp mode rstp  # 首先确保模式是RSTP
[Huawei] stp root primary
# 或
[Huawei] stp priority 0# 2. 端口优化与快速收敛配置（RSTP核心），实现秒级收敛
# 进入接口视图
[Huawei] interface GigabitEthernet 0/0/1# --- 关键配置1：边缘端口 ---
# 连接PC、服务器等终端设备的端口，应配置为边缘端口。
# 效果：端口立即进入转发状态，无延迟。
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp edged-port enable# --- 关键配置2：点到点链路 ---
# 在全双工模式（尤其是光纤/直接网线连接）的链路上，启用此功能以触发快速的P/A机制。
# 效果：加速指定端口进入转发状态。
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp point-to-point force-true[Huawei-GigabitEthernet0/0/1] quit# --- 3.保护功能配置（增强网络稳定性） ---
# --- BPDU保护 ---
# 在边缘端口上启用，如果收到BPDU则Error-Down该端口，防止非法交换机接入。
# 必须先全局启用，再在边缘端口上生效。
[Huawei] stp bpdu-protection
# （在对应的边缘端口视图下，配置 stp edged-port enable 即可关联）# --- 根保护 ---
# 在不应成为根端口的端口上配置（如所有指向接入交换机的上行口）。
# 效果：如果该端口收到更优的BPDU，会将其置为“Listen”状态，阻止其成为根端口。
[Huawei] interface GigabitEthernet 0/0/24  # 假设是上行端口
[Huawei-GigabitEthernet0/0/24] stp root-protection
[Huawei-GigabitEthernet0/0/24] quit# --- 防TC-BPDU攻击保护 ---
# 限制单位时间内处理拓扑变更报文的数量，防止CPU过载。
[Huawei] stp tc-protection
[Huawei] stp tc-protection threshold 10  # 可选：每10秒内最多处理10个TC BPDU# --- 4. RSTP 诊断与查看命令 ---
# 查看RSTP全局状态
<Huawei> display stp# 查看RSTP简要信息，重点关注端口角色和状态
<Huawei> display stp brief# 查看端口角色详细信息，RSTP中会显示RP(根端口)、DP(指定端口)
# AP(替代端口，根端口发生故障时接管)
# BP(备份端口，用于指定端口失效时接管)
<Huawei> display stp interface GigabitEthernet 0/0/1
http://www.dtcms.com/a/561573.html

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