路由器第05章__冗余交换链路与生成树协议
生成树协议
3 STP
STP起源于DEC公司的“网桥到网桥”协议，后来，IEEE 802委员会制定了生成 树协议的规范802.1d。其作用是，在冗余链路中，解决网络环路问题。STP通过 生成树算法（SPA）生成一个没有环路的网络，当主要链路出现故障时，能够自 动切换到备份链路，保证网络的正常通信。 TEXT TEXT TEXT TEXT STP通过从软件层面修改网络物理拓扑结构，构建一个无环路的逻辑转发拓扑结 构，提高了网络的稳定性和减少网络故障的发生率。
2．网桥号 网桥号（Bridge ID）用于标识网络中的每一台交换机，它由两部分组成，2字节优先 级和6字节MAC组成。优先级从0-65535，缺省为32768。 3．根网桥 具有最小网桥号的交换机将被选举为根网桥，根网桥的所有端口都不会阻塞，并都处 于转发状态。 4．指定网桥 对交换机连接的每一个网段，都要选出一个指定网桥，指定网桥到根网桥的累计路径 花费最小，由指定网桥收发本网段的数据包。 5．根端口 整个网络中只有一个根网桥，根网桥上的端口都是指定端口，而不是根端口，而在非 根网桥上，需要选择一个根端口。根端口是指从交换机到根网桥累计路径花费最小的 端口，交换机通过根端口与根网桥通信。根端口（RP）设为转发状态。 6．指定端口 每个非根网桥为每个连接的网段选出一个指定端口，一个网段的指定端口指该网段到 根网桥累计路径花费最小的端口，根网桥上的端口都是指定端口。指定端口（DP）设 为转发状态。 7．非指定端口 除了根端口和指定端口之外的其他端口称为非指定端口，非指定端口将处于阻塞状态， 不转发任何用户数据。
冗余交换链路与生成树协议
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Contents
1 3
1交换机中的冗余链路
2
2 生成树协议概述
3
3 STP
路由交换技术及应用 第5章 生成树协议技术
指定端口的选举规则与根端口的选举规则相同。值得特别说明的是，根 桥上的所有端口皆为指定端口，根端口相对应的端口（即与根端口直连的端 口）皆为指定端口。
4．阻塞预备端口（Alternate Port）
如果一个端口既不是根端口，也不是指定端口，则为预备端口，如图 5-8所示，则该端口会被阻塞，不能转发数据。
为每个网段选举指定端口和指定交换机的时候，首先比较该网段所连接 的端口所属交换机的根路径开销，值越小越优先；如果根路径开销相同，则 比较所连接的端口所属交换机的交换机标识，值越小越优先；如果根路径开 销相同，交换机标识也相同，则比较所连接的端口的端口标识，值越小越优 先。
在图5-12所示的示例中，交换机A为根交换机，因此其所有端口均为指定 端口；对于交换机C和交换机B之间的链路，由于该链路所连接的两个交换机 交换机C和交换机B的根路径开销相同，因此比较两个交换机的标识，交换机B 的交换机标识较小，因此指定端口在交换机B上；对于LANA，由于交换机C的 根路径开销小于交换机D的根路径开销，所以指定交换机为交换机C；交换机C 有两个端口连接到LANA，比较两个端口的端口标识，默认端口优先级同为128， 由于E0/1的端口号较小，因此LANA的指定端口是交换机C的E0/1接口。
端口ID为端口的身份标志，是由两个部分构成的， 共2B，高4bit是端口优先级（Port Priority），低 12bit是端口编号，如图5-6所示。端口优先级可以被 配置，默认值是128。
图5-6 端口ID
3．选举指定端口（Designated Port）
指定端口为每个网段上离根最近的端口，它转发发往该网段的数据， 如图5-7所示。每一个网段上有且只有一个指定端口。
从一个非根交换机到达根交换机的路径可能有多条，每一条路径都有一 个总的开销值，此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和。根端口是 指从一个非根交换机到根交换机总开销最小的路径所经过的本地端口。这个 最小的总开销值称为交换机的根路径开销（Root Path Cost）。如果这样的 端口有多个，则比较端口上所连接的上行交换机的交换机标识，值越小越优 先。如果端口上所连接的上行交换机的交换机标识相同，则比较端口上所连 接的上行端口的端口标识（Port Identifier），值越小越优先。
路由器与交换机的配置 第五章交换网络中的冗余链路
（1）广播风暴
根据交换机的工作原理，在交换机中维护一张MAC地址表，当 接到一个帧时，则在此MAC地址表中寻找目的MAC地址所对应的端 口，如果找到，则将此帧直接转发到此端口上去；如果找不到，则向 交换机的所有端口广播。如图5-5，假设销售部里的主机A发出一个广 播帧，这个广播帧会随着链路发往交换机A。交换机A收到广播帧后 会把广播帧进行泛洪操作，那么这个广播帧会传到财务部门的网段上， 从而又到达交换机B上，而交换机B会做同样的操作。那么这样周而 复始，在两个部门中这个广播包一直扩散，就形成了广播风暴。广播 风暴会严重影响交换机性能，甚至会耗尽交换机的内存资源，最终耗 尽所有带宽资源，阻塞网络通信。
施工场景
如图所示，为了防止S2126-1的f0/8与S3760的f0/1的连接出现故 障，使得S2126-1上所连主机无法连入网络，我们增加一条冗余链路， 即S2126-1的f0/9连至S3760的f0/3。要求将S3760设为根交换机， Spanning Tree的类型为RSTP，其他为默认值。
（3）MAC地址不稳定
主机A在交换机A、B初始化时发一个单播包。对于交换机A来说， 它从port1接口收到一个单播帧，因为交换机在初始化时，MAC地址 表为空。这样交换机A会做2个动作。一个是把这个数据帧泛洪，另外 一个是学习主机A的MAC地址（交换机学习的时候学的是源MAC地 址），那么交换机A会认为自己的port1端口上连接了一台MAC地址为 MACA的主机。而通过交换机B泛洪，由财务部门传递到交换机A的这 个数据帧发到了A的port2这个端口上。那么此时交换机A又会认为自 己的port2上也连接了一个MAC地址为MACA的主机。这样，一台主 机不可能同时连接在2个交换机端口上，从而给网络带来问题。由于 这一过程会导致MAC地址表的多次刷新，从而导致交换机内存资源被 严重耗用，影响交换机的交换能力，使得整个网络的运行效率降低。
管理交换网络中的冗余链路——生成树协议
浙江工业职业技术学院
本章内容
交换网络中的冗余链路 生成树协议STP 快速生成树协议RSTP 配置STP、RSTP
网络中存在的单点故障
故障
网络中的单点故障可导致网络的无法访问
交换网络中的冗余链路
故障
在网络中提供冗余链路解决单点故障问题
生成树经过一段时间（默认值是50秒左右）稳定之后，所 有端口要么进入转发状态，要么进入阻塞状态。
课程议题
交换网络中的冗余链路 生成树协议STP 快速生成树协议RSTP 配置STP、RSTP
IEEE 802.1w—快速生成树协议
快速生成树协议RSTP(Rapid Spannning Tree Protocol) IEEE 802.1w RSTP协议在STP协议基础上做了三点重要改进， 使得收敛速度快得多（最快1秒以内）。
Sw C
最短路径的选择
3、如果发送者Bridge ID相同，即同一台交换， 则比较发送者交换机的port ID
Sw D Mac:00d0f80000d1 Sw A
f0/1 f0/2
Mac:00d0f80000f1 Sw B
Sw C Port ID:端口信息由1字节端口优先级和1字节端口ID组成
STP、RSTP信息显示
Switch#show spanning-tree ！显示交换机生成树的状态 Switch#show spanning-tree interface fa 0/1 ！显示交换机接口的状态
配置STP、RSTP
Spanning Tree 的缺省配置：
关闭STP，且STP Priority 是32768，STP port Priority 是128。 STP port cost 根据端口速率自动判断； Hello Time 2秒； Forward-delay Time 15秒； Max-age Time 20秒； 可通过 spanning-tree reset 命令让 spanning tree 参 数恢复到缺省配置。
实验二计算机网络生成树协议
实验二计算机网络生成树协议在计算机网络的广袤世界中，生成树协议（Spanning Tree Protocol，简称STP）宛如一位默默守护的卫士，确保网络的稳定与可靠。
今天，让我们一同深入探索这个在网络中发挥着重要作用的协议。
想象一下，一个计算机网络就像是一座复杂的城市交通系统，各个设备（比如交换机、路由器等）如同道路和路口。
如果没有有效的规划和控制，数据包就可能在网络中迷失方向，或者形成无休止的循环，导致网络瘫痪。
这就是生成树协议登场的时候了。
生成树协议的主要目的是在一个存在冗余链路的网络中，防止形成环路。
冗余链路虽然在一定程度上增加了网络的可靠性，但如果不加控制，就会带来混乱。
STP 通过一种算法，在这些链路中选择一些处于激活状态，而将其他的置于阻塞状态，从而构建出一棵无环的“生成树”。
为了更好地理解 STP 的工作原理，我们先来了解一些关键的概念。
首先是根桥（Root Bridge），它就像是网络中的核心指挥中心。
根桥是通过比较交换机的桥优先级（Bridge Priority）来确定的。
优先级值最小的交换机将成为根桥。
其次是根端口（Root Port），每个非根桥上都有一个根端口，它是距离根桥最近的端口。
然后是指定端口（Designated Port），它是在每个网段中被选定用于转发数据的端口。
最后是阻塞端口（Blocked Port），这些端口处于阻塞状态，不转发数据，以防止环路的形成。
STP 的工作过程可以大致分为以下几个步骤。
首先，网络中的交换机相互交换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元）信息。
BPDU 中包含了交换机的优先级、MAC 地址等重要信息。
通过这些信息，交换机们能够确定根桥的位置。
然后，根据到根桥的距离，计算出每个端口的路径成本（Path Cost）。
路径成本越小，端口越有可能成为根端口或指定端口。
接下来，确定根端口和指定端口。
项目六交换机链路冗余和生成树协议
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研究更高效的生成树协议，提高网络的稳定性和可靠性。
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扩展到其他类型的网络设备
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将本项目的研究成果应用到路由器、服务器等其他类型的 网络设备中，实现整个网络的冗余和稳定性。
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提高网络的智能化水平
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要点二
解决方案
深入研究生成树协议，优化算法，提高网络的效率和性能 。
项目总结
成果
成功实现了基于生成树协议的交换机链路冗 余，提高了网络的稳定性和可靠性。
创新点
优化了生成树协议算法，提高了网络的效率 和性能。
项目中的问题和解决方案
问题1
生成树协议的收敛速度问题
描述
在大型网络中，生成树协议的收敛 速度可能较慢，影响网络的实时性 。
```
[H3C] stp enable all interface
[H3C] stp mode rstp
01
03 02
04
交换机链路冗余和生成 树协议的测试与验证
测试目的和测试环境
测试目的
验证交换机链路冗余和生成树协议的功能和性能，确保其正常工作并提高网络的可靠性。
测试环境
搭建包含交换机、路由器、终端设备等网络设备的测试网络，模拟实际应用场景，进行 测试。
提高网络性能
在负载均衡场景下，通过合理分 配流量到多个链路，可以降低网 络拥塞和提高数据传输效率。
冗余链路的类型
备份链路
备份链路是一种简单的冗余技术，其中一条链路作为主链 路，另一条作为备份。当主链路出现故障时，备份链路将 接管流量。
负载均衡
网络设备安装与调试任务5 冗余链路
2．生成树协议
生成树协议（Spanning Tree Protocol’）STP可 应用于环路网络，通过一定的算法实现路径冗余 ，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从 而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。 STP消除了环路，但同时也使得备份链路处于阻 塞的状态，带宽不能被利用。 STP的主要思想：当网络中存在备份链路时，只 允许主链路被激活，只有在主链路出现故障被断 开后，备用链路才会被打开。
5．以太网端口聚合
端口聚合技术将多个物理端口捆绑在一起，形成一个逻辑端口，增大 了链路带宽，同时具有链路冗余的作用。在网络出现故障断开其中一 条链路或多条链路时，剩下的链路还可以工作。 在网络的骨干链路上，一般情况下不仅需要备份链路，也需要更大的 带宽和传输能力，这时就需要使用端口聚合技术了。 链路聚合技术的标准为IEEE 802.3ad，链路聚合控制协议LACP是 IEEE 802.3ad标准的主要内容之一，定义了一种标准的聚合控制方式 。
5．以太网端口聚合
端口聚合技术是指把多个物理端口捆绑在一起形成一个简单的逻辑端 口，这个逻辑端口被称为聚合端口。
图2-20 端口聚合的典型应用
5．以太网端口聚合
图2-20所示为端口聚合的典型应用。 ① 交换机之间的连接，如图2-20中①所示。交换机之间采用2个 100Mbit/s的端口捆绑成200Mbit/s，增加了网络带宽，同时也加强了 网络的可靠性。 ② 交换机与高速服务器的连接如图2-20中②所示。许多大型服务器具 备多个100Mbit/s的网卡，可将多个网卡捆绑成具有更高带宽的接口 ，满足服务器访问量增大的需求。 ③ 交换机与路由器的连接如图2-20中③所示，主要用于提高网络的可 靠性。 ④ 高速服务器（或路由器）之间的连接如图2-20中④所示。
交换机路由器配置管理第五章生成树协议
网络设备配置与管理
5
生成树协议
既要备份链路又要 抑制广播风暴
生成树协议 (Spanning-Tree Protocol，STP) 就 是为了解决由于备 份连接所产生的环 路问题。
STP协议的主要思 想就是当网络中存 在备份链路时，只 允许主链路激活， 如果主链路因故障 而被断开后，备用 链路才会被打开。
绘制树 形网络 结构
网络设备配置与管理
绘制树 形网络 结构
10
拓展学习
MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol， 多生成树协议）把多个 VLAN映射到一个STP实 例上，并可以同STP和 PVST兼容，可有效解决 PVST的问题。读者可在 资源库中学习有关MSTP 的配置应用案例。
第5章 生成树协议
主讲：张平安教授
2018年8月14日星期二
网络设备配置与管理
1
学习目标
知识目标
• 理解交换机建立冗余线路的作用和应用 • 理解生成树协议的工作原理，重点是根桥的概念和工作过程
技能目标
• 掌握交换机STP配置步骤 • 重点掌握配置根桥的步骤与方法
素养目标
• 理解如何把一个环路结构转换为树形结构 • 培养基本的学习网络数据包结构的能力
2018年8月14日星期二
网络设备配置与管理
2
每课一屏
观看广播风 暴实验？
2018年8月14日星期二
网络设备配置与管理
3
冗余备份链路
在许多交换机或网桥设备组成的网络 环境中，通常都使用一些备份连接， 以提高网络的健壮性、稳定性。备份 连接也称备份链路、冗余链路等。保 证跨交换机的节点间可靠的通信。
2018年8月14日星期二
生成树协议的作用
生成树协议的作用生成树协议是用于网络交换机之间构建生成树的一种协议。
生成树协议的主要作用是防止网络交换机之间形成环路，确保数据在局域网中能够正常地传输。
在一个局域网中，如果没有生成树协议的支持，当网络中的交换机连接成一个环形拓扑结构时，数据包将会在环路中不断地循环传输，导致网络拥塞和性能下降。
为了避免这种情况的发生，生成树协议通过提供一种机制，动态地选择一个主干路径，并且禁用其他的非主干路径，以确保数据只在一个路径上流动，从而避免了环路的产生。
生成树协议的另一个作用是提供冗余路径。
当网络中存在多个路径连接交换机时，生成树协议可以选择尽可能多的路径作为冗余路径。
当主干路径出现故障或拥塞时，生成树协议可以快速地将流量转移到备用路径上，从而保证数据的可靠传输。
这种冗余路径的设计可以提高网络的可用性和容错性，确保网络在一些异常情况下仍能正常运行。
生成树协议的另一个重要作用是节省网络带宽。
当交换机之间存在多条路径时，生成树协议可以根据配置选取主干路径，禁用其他路径的转发功能。
这样一来，只有主干路径上的交换机才会转发数据包，其他路径则被禁用，节省了网络带宽的使用。
通过这种方式，生成树协议可以避免数据包在网络中重复传输，从而提高了网络的传输效率。
生成树协议还有一个作用是维护网络的稳定性。
当网络中的交换机发生故障或链路状态发生改变时，生成树协议可以根据当前的网络拓扑动态地重新计算生成树，并选择合适的路径进行数据传输。
这样一来，当网络出现变化时，生成树协议可以快速地对网络进行调整和重新配置，确保网络的稳定性和可靠性。
综上所述，生成树协议在网络中起到了非常重要的作用。
它可以防止网络交换机之间形成环路，确保数据在局域网中能够正常传输；它还提供了冗余路径，保证了网络的可用性和容错性；同时，生成树协议也可以节省网络带宽，提高网络的传输效率；最后，它还能够维护网络的稳定性，适应网络拓扑的变化。
通过生成树协议的应用，我们可以构建起稳定、高效、可靠的局域网，为用户提供更好的网络体验。
生成树协议原理及配置
生成树协议原理及配置生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是一种用于防止网络中的循环路径和数据包冲突的协议。
它的目标是通过选择网络中的一个根桥，从而建立一个无环的生成树，从而实现网络的冗余和可靠性。
生成树协议的原理是通过选举根桥、计算最短路径和禁用冗余链路来实现。
当网络中有多个桥接设备连接时，生成树协议会选择一个设备作为根桥。
根桥的选择通常基于桥优先级和MAC地址。
然后，生成树协议会在网络中计算出一条最短路径，以使所有设备都能通过该路径与根桥通信。
生成树协议还会根据冗余链路的代价来禁用一些链路，以防止循环路径的出现。
1.桥优先级和MAC地址：生成树协议通过比较桥的优先级和MAC地址来选择根桥。
通常情况下，优先级较低的桥将成为根桥。
可以通过手动配置桥的优先级来控制根桥的选择。
2.连接参数：生成树协议需要配置桥接设备之间的连接参数。
包括端口优先级、端口状态（开启或关闭）和端口成本。
这些参数将影响最短路径的选择和冗余链路的禁用。
3. BPDU（Bridge Protocol Data Unit）：BPDU是生成树协议中用于交换信息和进行状态更新的数据包。
生成树协议需要配置BPDU的发送和接收规则。
通常情况下，桥接设备会定期发送BPDU，以更新网络状态并检测循环路径。
4.禁用冗余链路：生成树协议会根据链路的代价禁用一些冗余链路，以防止循环路径的出现。
链路的代价通常基于链路的速度或带宽。
可以通过手动配置链路的代价来控制冗余链路的禁用。
5. STP版本：生成树协议有多个版本，如STP、RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）和MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）。
不同版本的生成树协议具有不同的特性和性能。
配置时需要根据网络的需求选择合适的版本。
在实际应用中，生成树协议的配置通常需要在网络设备上进行。
网络管理员可以通过命令行界面或图形化界面来配置生成树协议的各个参数。
生成树协议基本原理
⽣成树协议基本原理 ⽣成树协议基本原理 ⼀.什么叫做⽣成树协议 1>.STP(Spanning Tree Protocol,⽣成树协议)是⽤于在局域⽹中消除数据链路层物理环路的协议； 2>.通过在桥之间互相转换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。
扩充： BPDU的类型： 1>.普通 BPDU :⽤于⽣成树计算以及维护⽣成树的⼀种报⽂ 2>.BPDU TCN:当⽹络拓扑发⽣变化时，会发送报⽂告知其他设备⽹络拓扑已经发⽣变化。
⼆.STP的作⽤ 1>.通过阻断冗（rong）余链路来消除桥接⽹络中可能存在的路径回环； 2>.当前路径发⽣故障时，激活冗余备份链路，恢复⽹络的连通性。
三.配置BPDU⽣成和传递1.配置BPDU包含以下重要信息，完成⽣成树计算 a>.根桥ID（RootID） b>.跟路径开销（RootPathCost） c>.指定桥ID（DesignatedBridgeID） d>.指定端⼝ID（DesignatedPortID）2.各台设备在初始时⽣成以⾃⼰为根桥（Root Bridge）的配置消息，向外发送⾃⼰的配置消息3.⽹络收敛后，根桥向外发送配置BPDU，其他的设备对该配置BPDU进⾏转发4.根桥的选举 a>.桥ID有桥优先级（BridgePriority）和桥MAC地址(BridgeMacAddress)组成 b>.桥ID⼩的桥北选举为根桥5.根路径开销 a>.根路径开销（RootPathCost）是到达根的路径上所有链路开销（Cost）的代数和；【⼀般百兆链路cost是19，千兆链路cost是10】 b>.⾮根桥进⾏根端⼝选举时，根路径开销最⼩的端⼝为跟端⼝； c>.物理端进⾏指定桥选举时，路径开销最⼩的桥为指定桥。
生成树协议配置
生成树协议配置生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是一种网络协议，用于在网络中防止环路，并确定最佳路径。
在网络中，当存在多条通向同一目的地的路径时，可能会形成环路，导致数据包在网络中不断循环，最终导致网络拥堵甚至崩溃。
生成树协议的作用就是通过选择一条最佳路径，将其他冗余路径屏蔽，从而避免网络环路的发生。
在配置生成树协议时，需要考虑以下几个关键因素：1. 选择根桥。
在生成树协议中，网络中的一个交换机会被选举为根桥（Root Bridge），所有其他交换机都将以根桥为参照物来确定最佳路径。
通常情况下，根桥的选择是根据交换机的优先级和MAC地址来确定的。
管理员也可以手动指定某个交换机为根桥。
2. 确定端口状态。
生成树协议通过确定端口的状态来屏蔽冗余路径。
在网络中，有三种端口状态，指定端口（Designated Port）、根端口（Root Port）和阻塞端口（Blocked Port）。
指定端口是指向根桥的最佳路径，根端口是指向根桥的最佳路径，而阻塞端口则是被屏蔽的冗余路径。
3. 配置优先级。
管理员可以通过配置交换机的优先级来影响根桥的选举结果。
通常情况下，优先级越低的交换机越有可能成为根桥。
在生成树协议中，优先级的范围是0-61440，默认值是32768，步长为4096。
4. 设置端口成本。
在生成树协议中，每个端口都有一个成本值，用来表示到达根桥的路径的开销。
成本值越低，表示到达根桥的路径越短。
管理员可以手动配置端口的成本值，也可以使用默认的自动计算方式。
5. 监控生成树状态。
配置生成树协议后，需要及时监控生成树的状态，确保网络正常运行。
管理员可以通过查看生成树协议的状态信息，包括根桥、端口状态、成本值等，来了解网络的拓扑结构和路径选择情况。
总结。
生成树协议的配置是网络管理中的重要工作之一。
通过合理配置生成树协议，可以避免网络中出现环路，确保数据包能够按照最佳路径进行传输，提高网络的稳定性和可靠性。
交换和生成树协议
广播风暴检测
通过检测网络中的广播流量，判断 是否存在广播风暴。
04
案例分析：某企业网络故障排查过程
故障现象
企业网络出现严重拥塞，部分业务中断。
故障定位
经过初步排查，发现网络中存在大量广播流量。
故障原因
进一步检查发现，网络中某交换机配置错误，导致生成树协议失效，形成环路。
03
交换与生成树协议关系
交换机中的生成树协议应用
避免环路
01
在交换机网络中，生成树协议通过阻塞某些端口来避免环路，
确保网络拓扑的稳定。
广播风暴控制
02
生成树协议能够防止广播风暴的发生，提高网络的稳定性和性
能。
冗余链路利用
03
在出现故障时，生成树协议能够重新计算网络拓扑，利用冗余
链路保证网络的连通性。
配置端口角色和状态
根据网络拓扑和需求，配置端口的角色（ 如指定端口、根端口等）和状态（如启用 或禁用生成树协议等）。
配置交换机优先级
根据需要，配置交换机的优先级，以影响 生成树的选举结果。优先级越高的交换机 越有可能成为根交换机。
验证配置结果
查看生成树状态
使用命令查看生成树的状态，包 括根交换机、指定端口、根端口 等信息。
测试网络连通性
通过网络测试工具或命令测试网 络的连通性，确保生成树协议正 确配置并生效。
监控网络性能
通过网络监控工具或命令监控网 络的性能，如延迟、丢包率等， 以评估生成树协议对网络性能的 影响。
05
生成树协议故障排除与案 例分析
常见故障类型及原因
物理层故障
包括端口损坏、线路故障等，可能导致网络拓扑结构 异常。
生成树协议
生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写，可应用于计算机网络中树形拓扑结构建立，主要作用是防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作。
但某些特定因素会导致STP失败，要排除故障可能非常困难，这取决于网络设计 [1]。
生成树协议适合所有厂商的网络设备，在配置上和体现功能强度上有所差别，但是在原理和应用效果是一致的。
STP的基本原理是，通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文，网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，简称BPDU），来确定网络的拓扑结构。
BPDU有两种，配置BPDU（Configuration BPDU）和TCN BPDU。
前者是用于计算无环的生成树的，后者则是用于在二层网络拓扑发生变化时产生用来缩短MAC表项的刷新时间的（由默认的300s缩短为15s）。
Spanning Tree Protocol（STP）是在IEEE 802.1D 文档中定义，该协议的原理是按照树的结构来构造网络拓扑，消除网络中的环路，避免由于环路的存在而造成广播风暴问题。
Spanning Tree Protocol（STP）的基本思想就是按照"树"的结构构造网络的拓扑结构，树的根是一个称为根桥的桥设备，根桥的确立是由交换机或网桥的BID（Bridge ID）确定的，BID最小的设备成为二层网络中的根桥。
BID又是由网桥优先级和MAC地址构成，不同厂商的设备的网桥优先级的字节个数可能不同。
由根桥开始，逐级形成一棵树，根桥定时发送配置BPDU，非根桥接收配置BPDU，刷新最佳BPDU并转发。
这里的最佳BPDU指的是当前根桥所发送的BPDU。
如果接收到了下级BPDU（新接入的设备会发送BPDU，但该设备的BID比当前根桥大），接收到该下级BPDU的设备将会向新接入的设备发送自己存储的最佳BPDU，以告知其当前网络中根桥；如果接收到的BPDU更优，将会重新计算生成树拓扑。
冗余拓扑和生成树协议
冗余拓扑和生成树协议2005年12月第6期(总第51期)济南职业学院JournalofJinanV ocationalCollegeDee.嬲No.6(serialNo.51)冗余拓扑和生成树协议肖仁锋(济南职业学院计算机系,山东济南250001)摘要:在使用交换机的过程中,网络的可靠性是一个硌须考虑的问题,解决可靠性的最好途径就是增加冗余设备用以产生冗余路由,因而不可避免的会产生一系列的问题.随着网络的发展和生成树协议的提出,这些问题迎刃而解.文章主要介绍了冗余路径的产生,冗余路径所带来的问题以及相应的解决方案.关键词:stp;冗余;生成树中图分类号:TP393.02文献标识码:B一,交换机的工作过程在OSI参考模型中,交换机工作在第二层,即数据链路层,主要作用是学习计算机的MAC地址,转发过滤数据包和避免环路.因为工作在第二层,不能读取信息包的高层地址信息,所以只能学习到信息包的物理地址(MAC地址),在计算机网络通信过程中,如下图:■^addr…t?bl交换机中保存有一张MAC地址表,用来记录通信计算机的MAC地址与所连接的交换机端口的对应,假设A要发送数据包到B,当数据包到达交换机E0端口时交换机开始查询MAC地址表,因为MAC地址表是空的,所以交换机只能将数据包以广播的方式发送出去,并记录E0:0260.8C01.1111到地址表中,假如现在B向A发送数据包,当数据包到达交换机时,交换机查询MAC地址表,若是查不到A机的MAC地址,则仍需要广播发送,若是查询到,则根据E0:0260.8C01.1111的对应,由E0将数据包发送到A,不再进行广播,并记录E1:0260.8c01.3333的对应到MAC地址表,依次类推,直到学习到所有的MAC地址与所连接的交换机端口的对应.如下图:■-caeldt'em~t6bIe当再有数据包经过交换机转发时,交换机根据数据的目标MAC地址,在MAC地址表中查找相应的端口,而不需要将数据包广播了.=,冗余路径产生的原因在上述的工作过程中,只有一台交换机,当交换机出现故障时,通信便无法完成,这被称为单点故障.为了避免单点故障对网络的影响,保证通信的可靠性,通常都要在网络中添加一定的备用设备,如下图所示:当交换机A出现故障时,交换机B依然能将数据包发送到目标地址.虽然B交换机的加入作者简介:肖仁锋(1979一),男,山东诸城人,济南职业学院计算机系助教. 44?保证了数据通信的可靠性和稳定性,但是出现了冗余拓扑,问题也随之而来.三,冗余路径的问题分析冗余路径的优点是能够提高网络的可靠性,并且有负载分担的功能,但是也带来了许多问题, 主要有如下几个:(一)广播风暴(二)多重拷贝(三)地址表的不稳定.1.广播风暴在上图中,当x发送一个帧给路由器v,因为不知道目标地址,只能将帧广播传送,A交换机会收到帧并检查其目标地址,然后做出决策,将帧发送到网段segment2,帧会沿网段segment2传送到交换机B,当该帧到达交换机B后,同样交换机B作出决策,帧会被广播出去,必然有帧传送到网段segmentl,然后转发到交换机A,这样数据就会在A—B—A这个逻辑环形结构中不停传输,占用大量带宽,阻碍了正常的网络数据传输,从而形成广播风暴.2.多重拷贝根据交换机的工作原理,当不知道目标地址时,数据包是被广播转发的,所以,在上图中,当数据帧离开x后,可以通过两条路径到达Y,一条是沿网段segmentl,直接到达,另外一条是经过交换机A,转发到网段segment2,再通过交换机B,最终到达v,于是v收到了两个个同样的帧,因为在"广播风暴"中的帧还在不停的广播传送,所以重复的帧会相继到达y,造成数据帧的多重拷贝. 3.MAC地址表的不稳定在右上图中,当帧拷贝直接到达交换机A的接口EO时,交换机记下E0:macl(假设,X的MAC 地址是mac1),而沿网段segmentl广播的帧拷贝会经过交换机B,并产生一份拷贝传送到交换机A的El端口,这时交换机会记下E1:mac1,因为MAC地址相同,则会覆盖掉上一条E0:macl.因为X还会继续发送数据,所以MAC地址表就在不停的变换,从而形成MAC地址表的不稳定.四,问题解决方案:生成树协议STP(SpanningTreeProtoco1),即生成树协议,能够解决上述冗余拓扑带来的问题,解决的基本原则就是在网络运行正常地情况下,不使用冗余路径,当网络设备产生故障时,才激活冗余路径设备,这样既避免了网络环路的形成,又增加了网络的可靠性.在右下图中,生成树协议将通过如下四步实现这个目的:}曩1OOBasmT1.在整个网络中,选择一个根交换机.选择的根据是交换机中的优先权设置和交换机的MAC地址,当优先权相同时,MAC地址小的是根交换机,在图中,交换机A是根交换机.2.每个非根交换机选择一个根端口.选择的根据是网段的开销,开销的计算与速度有关,网络速度越快,开销越小,所以如图中所示,B交换机的根端口是与100BaseT相连的端口.3.一个网段选择一个指定端口.选择指定端口的依据是网段所连接端口的MAC地址,MAC 地址小的是指定端口.剩余的端口皆为非指定端口.4.非指定端口在正常情况下是不使用的,其状态为阻断状态.注:其中根交换机的所有端口都是指定端口,如图中所示,根交换机A的两个端口都是指定端口.正常情况下,所有的根端口和指定端口都是处于转发状态的,能够完成数据转发任务.完成上述四步后,网络中将不存在逻辑环路,当网络中的某个设备出现断路的情况时,非指定端口如果在指定的时间内收不到网络畅通的报告,其状态由阻断变为转发,代替原有路径转发数据,从而保证网络在最短的时间内恢复畅通,这样既避免了网络环路,又保证了数据的顺利到达. 综上所述,冗余路径解决了网络中的单点故障,提高了网络的可靠性,但是也带来了相应的问题,如广播风暴等,引入生成树协议后,这些问题也被相应的解决,既避免了网络环路,又保证了网络的可靠性,成功地解决了冗余拓扑带来的问题. (责任编辑:王振平)。
网络基础知识讲座之五：学习生成树协议
网络基础知识讲座之五：学习生成树协议现在，我们的网络教程开始接触到让人期待的生成树协议，学好它，你就可以尽可能避免因某台交换机的问题造成整个局域网崩溃。
继续读下去吧。
生成树协议是由Sun微系统公司著名工程师拉迪亚•珀尔曼博士(Radia Perlman)发明的。
网桥使用珀尔曼博士发明的这种方法能够达到2层路由的理想境界:冗余和无环路运行。
你可以把生成树协议设想为一个各网桥设备记在心里的用于进行优化和容错发送数据的过程的树型结构。
我们要介绍的这个问题在图1中进行了描述。
图 1.如果这些交换机不采用生成树协议并且以这种方式连接，每一台交换机将无限地复制它们收到的第一个数据包，直到内存耗尽和系统崩溃为止。
在2层，没有任何东西能够阻止这种环路的事情发生。
在图1中，管理员必须要手工关闭这个红色连接线路才能让这个以太网网络运行。
生成树协议在当前可用连接有效时关闭一个或者更多其它冗余连接，而在当前连接出现故障后，再启用这些被关闭的冗余连接。
生成树协议决定使用哪一个连接完全取决于网络的拓扑结构。
生成树协议拓扑结构的思路是，网桥能够自动发现一个没有环路的拓扑结构的子网，也就是一个生成树。
生成树协议还能够确定有足够的连接通向这个网络的每一个部分。
它将建立整个局域网的生成树。
当首次连接网桥或者发生拓扑结构变化时，网桥都将进行生成树拓扑的重新计算。
当一个网桥收到某种类型的“设置信息”(一种特殊类型的桥接协议数据单元，BPDU)时，网桥就开始从头实施生成树算法。
这种算法从根网桥的选择开始的。
根网桥(root bridge)是整个拓扑结构的核心，所有的数据实际上都要通过根网桥。
顺便提示一下，有手工设置根网桥时要特别注意。
对于思科设备来言其根网桥的选择过程暴露出一些问题，就是过分简单化。
思科硬件通常使用最低的MAC地址，具备这些地址的设备通常是网络中最古老的设备，因而其交换速度常是最慢的，而从根网桥在网络中的位置看，它负荷却最重。
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冗余具有以下优点： 网段2 (1)容错特性：冗余链路不仅是一种负载分担机制，它还是 一种重要的灵活性机制。一旦局域网的某条链路出现了故障， 可以由其冗余链路代替其工作。 (2)伸缩性：通过将多个物理链路绑定在一起形成一条逻辑 链路，链路汇聚技术提高了可用带宽。例如，为了提高两台 千兆以太网交换机之间的交换性能，链路汇聚技术可以绑定 多个千兆位交换物理端口，形成一条逻辑上的通道，在需要 时还可以对其进行拓展。 (3)节约成本：冗余链路可以在不增加额外设备或升级现有 设备性能的基础上保障局域网的可靠性和提高核心链路的带 宽。
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6.2.2 生成树协议术语
1．网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data
Unit，BPDU）：生成树协议是通过在交换机之 间周期发送网桥协议数据单元BPDU，来发现网 络上的环路，并阻塞有关端口来断开环路的。网络 上的每台交换机每隔2秒钟都要向网络上发送配置 BPDU报文。
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交换网络中的冗余链路
故障
在网络中提供冗余链路解决单点故障问题
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冗余链路出现的问题--环路
广播风暴
发送一个广播帧
冗余链路会造成网络环路,当交换网络中出现环路会产 生广播风暴、多帧复制和MAC地址表不稳定等现象。 严重影响网络正常运行。
故障
绝大多数情况我们在交换网络中采用交 换设备之间多条链路连接，形成冗余链路来 保证线路上的单点故障不会影响正常网络通 信。但是，这样的设计会在交换网络中形成 网络环路，产生广播风暴、单帧的多次递交、 桥接表的不稳定。如何在交换网络中既能保 证冗余链路提供链路备份，又避免广播风暴 等问题产生的技术就是生成树技术。
switchC的端口1是非根交换机上的端口，所以被阻塞。
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生成树协议的工作过程
2 switchA 1 Cost 19 100Mbit/s
1000Mbit/s Cost 4
2 switchB
1
1000Mbit/s Cost 4 1 switchC 2
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端口1
端口1
交换机B的MAC地 指表： MACA——端口2
端口2
端口2
端口2
端口2
主机B 主机B
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桥接表的不稳定
单播包
端口1 HOST A
端口2 HOST X
Switch A 网 段 1
端口1 端口2
网 段 2 Switch B
HOST B
HOST Y
图6-1-4
苏州市职业大学计算机工程系
谭方勇 Email:tanfy@
主要内容
5.1交换机网络中的冗余链路 5.2 生成树协议 5.3 配置生成树 5.4实验七 STP基本配置 5.5实验八 RSTP快速生成树配置 5.6实训四 生成树及负载均衡配置
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网络中存在的单点故障 网络中的单点故障可导致网络的无法访问
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2.生成树举例
MAC地址： AAAA.AAAA.AAAA
交换机A 优先级：32768
F0/1
F0/2
F0/1
优先级：32768 交换机B MAC地址： BBBB. BBBB.BBBB F0/2 F0/2
F0/1
优先级：32768 交换机C MAC地址： CCCC. CC
HOST X
HOST B HOST Y
图6-1-3
单帧的多次递交
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3.MAC地址表不稳定
主机A
主机A
ARP广播
ARP广播
交换机A的MAC地 指表： MACA——端口1
端口1
端口1
交换机B的MAC地 指表： MACA——端口1
交换机A的MAC地 指表： MACA——端口2
4.每个LAN都有了指定交换机（Designated Bridge），位于 该LAN与根交换机之间的最短路径中。指定交换机和LAN相连 的端口称为指定端口（Designated port）； 5.根口（Roor port）和指定端口（Designated port）进入转 发Forwarding状态；
桥接表的不稳定性问题
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5.2 生成树协议
生成树协议(Spanning Tree Protocol, STP) 定义在 IEEE 802.1D 中，是一种链路管理协议， 它为网络提供路径冗余同时防止产生环路。
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5.2 生成树协议 生成树协议（spanning-tree protocol，STP）即IEEE 802.1d协议，通过在交换机上运行一套复杂的算法， 使冗余端口置于“阻塞状态”，使得网络中的计算 机在通信时，只有一条链路生效，而这个链路出现 故障时，IEEE802.1d协议将会重新计算出网络的最 优链路，将处于“阻塞状态”的端口重新打开，从 而确保网络连接稳定可靠。 生成树协议的作用是为了提供冗余链路，并解决网 络环路问题 生成树协议实现了在交换网络中通过SPA（生成树 算法）生成一个没有环路的网络，当主要链路出现 故障时，能够自动切换到备份链路，保证网络的正 常通信。
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6.2.3 根网桥选举
生成树工作机制
1.网络中选择了一个交换机为根交换机（Root Bridge）； 2.每个交换机都计算出了到根交换机（Root Bridge）的最短 路径；
3.所有非根交换机都有一个根口（Root Port）， 即提供最短路径到根交换机（Root Bridge）的端口；
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环路问题的解决
主要链路正 常时，断开 备份链路
主要链路出故 障时,自动启 用备份链路
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冗余拓扑结构
核心层
分布层
访问层
图6-1-1
交换机间冗余拓扑结构
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5.1.1 冗余链路的优点
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5.1.2 冗余链路带来的问题
1.广播风暴 广播风暴可以短时间内使得网络出现堵塞，甚至 造成整个网络的瘫痪，因此在设计和管理网络时必 须要尽可能地避免广播风暴的发生。 2.多帧复制
主机A ARP广播
交换机A
交换机B
主机B
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图6-2-1
生成树协议操作
通过逻辑地将某端口阻塞来断开环路，使得任何两 台主机之间只有一条唯一的通路，达到既冗余又无环 的目的。
端口1
端口2
网 段 1
端口1
Switch A
阻塞此端口
×
网 段 2
端口2
Switch B
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其工作过程如下： (1)选取根网桥（先比较交换机优先级，相同情况再比 较MAC地址,优先级最小的交换机成为根网桥） (2)确定根端口 (非根网桥上要选择一个根端口,使交 换机到达根网桥累计路径花费最小) (3)在每个网段上选取唯一的一个指定端口 (网段通过 指定端口到达根网桥累计路径花费最小) (4) 如果阻塞端口在指定的时间间隔（缺省20秒）收 不到BPDU时，则会重新运行生成树算法进行选举。这 将在运行生成树算法的过程中，使得网络处于阻断状态， 所有端口都不进行转发。
5.2.1 生成树的基本原理
1.基本原理 STP 允许网桥/交换机之间相互通信以发现网络 物理环路。该协议定义了一种算法，网桥/交换机 能够使用它创建无环路（Loop-Free）的逻辑拓 扑结构。 2.交换机端口状态: 阻塞、侦听、学习、转发。
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5.2.1 生成树的基本原理
生成树协议的工作过程
A为根交换机 switchA
1、选举根交换机（RootBridge） 2、所有非根交换机选择一条到达根 交换机的最短路径 3、所有非根交换机产生一个根端口
根端口
4、每个LAN确定指定端口 BPDU
switchB
1
switchC
5、将所有根端口和指定端口设为转 发状态 6、将其他端口设为阻塞状态
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第 5章 冗余交换链路与生成树协议
局域网中的环路可以提高通信链路的带宽和 可靠性，但是它也会造成大量的网络流量而形成 “广播风暴”，导致整个网络的瘫痪，从而影响 局域网中正常的工作。而链路聚合技术和生成树 协议是实现局域网冗余链路管理的主要技术手段 ，本章也将重点介绍这两项内容。
6.其他的冗余端口就处于阻塞状态（Blocking或Discarding）。
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生成树协议的工作过程
首先进行根交换机的选举。选举的依据是交换机优先级和交 换机MAC地址组合成的ID（Bridge ID），桥ID最小的交换机将 成为网络中的根交换机。在下图中，各交换机都以默认配置启 动，在交换机优先级都一样（默认优先级是32768）的情况下， MAC地址最小的交换机成为根交换机，如图中switchA ，它的 所有端口的角色都成为指定端口，进入转发状态。
广播风暴
广播包
HOST A
Switch A 网 段 1 Switch B 网 段 2
HOST X
HOST B
HOST Y
图6-1-2