STP生成树协议详解：如何解决二层网络环路问题

STP生成树协议详解：如何解决二层网络环路问题

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_71203750/article/details/136991962

一.二层组网环路

在二层交换网络中，缺乏冗余设计会导致网络稳定性较差。例如，当某个交换机接口出现故障时，整个网络可能会受到影响。为了解决这个问题，通常会采用冗余设计，即在网络中增加额外的链路或设备，以确保在某个链路或设备故障时，网络仍能正常运行。

但是，这种冗余设计也带来了新的问题，主要是广播风暴和MAC地址漂移。

1.广播风暴

广播风暴是由于交换机在传输数据时进行泛洪（将数据帧复制多份并发送出去）而产生的。当网络中存在环路时，广播帧会在环路中不断复制和传播，最终导致设备资源和网络带宽被严重消耗，甚至造成网络瘫痪。

2.MAC地址漂移

MAC地址漂移是指交换机在学习MAC地址时，由于网络环路的存在，导致MAC地址表不稳定。例如，当一个数据帧从多个路径到达交换机时，交换机会多次更新MAC地址表，导致MAC地址表中的信息不断变化，最终可能导致数据帧无法正确转发。

1. pc2发送数据帧给服务器
2. LSW3 MAC表中没有匹配的目的MAC，进行泛洪
3. LSW1和LSW2接收到数据帧后，学习源MAC，并进行泛洪
4. LSW1和LSW2再次接收到从另一个端口发来的相同数据帧，再次更新MAC表

这就导致了MAC表漂移，无法将报文从正确的接口发出去。

3.三层环路问题

在三层网络中，由于路由器使用静态路由和动态路由协议（如RIP、OSPF），可以有效避免环路问题。静态路由需要手工配置，一般不用于大型网络。动态路由协议如OSPF使用链路状态算法，可以计算出无环的最短路径树，因此三层网络一般不会出现环路问题。

二.STP生成树

STP（Spanning Tree Protocol）是一种用于解决二层网络环路问题的协议。它通过计算出对网络影响最小的接口，并逻辑上阻塞这个接口，从而打破环路。

（1）工作原理

STP的核心思想是通过计算出一棵无环的生成树，将网络中的冗余链路阻塞，只保留必要的链路用于数据传输。这样既保证了网络的冗余性，又避免了环路问题。

（2）STP概念

1. 桥ID（BID）：交换机在STP中被称为网桥，其ID由优先级和MAC地址组成。缺省情况下，交换机的桥优先级为32768，通常会将其设置为4096或其倍数。

2. 根桥：根桥是STP生成树的逻辑根，具有最小的桥ID。在选举根桥时，优先级较低的交换机将成为根桥。

3. COST：链路的开销值，带宽越大，开销越小。

4. RPC：根路径开销，从当前交换机到根桥的所有入接口开销之和。

5. Root ID：本端的根ID，由优先级和端口号组成。

6. BPDU报文：Bridge Protocol Data Unit，用于选举根桥和通知拓扑变化。STP每隔2秒发送一次BPDU报文，非根桥连续三次未收到BPDU则认为发生故障。

7. PID（Port ID）：端口ID，由端口优先级和端口号组成。

（3）STP计算过程

1. 选举根桥：所有交换机初始都认为自己是根桥，并发送BPDU报文。最终，桥ID最小的交换机将成为根桥。

2. 选举根接口：非根交换机选择朝向根桥的接口作为根接口。选举过程依次比较RPC、对端桥ID和端口ID。

3. 选举指定端口：每条链路选择一个指定端口，通常根桥的所有端口都是指定端口。选举过程依次比较链路两端的RPC、桥ID和端口ID。

4. 阻塞非根接口和非指定端口：为了打破环路，需要阻塞那些既不是根接口也不是指定端口的端口。

三.实例分析

假设网络中有三台交换机SWA、SWB和SWC，其中SWA的桥优先级设置为4096，其他交换机的桥优先级为32768。

1. 选根桥：由于SWA的桥优先级最低，因此SWA被选为根桥。

2. 选举根接口：

• SWB有两条路径到根桥：SWAG0/0/1到SWBG0/0/1的RPC为0，SWAG0/0/2到SWCG0/0/1到SWBG0/0/2的RPC为20000。因此，SWBG0/0/1被选为根接口。
• SWC也有两条路径到根桥：SWAG0/0/2到SWCG0/0/1的RPC为0，SWAG0/0/1到SWBG0/0/1到SWCG0/0/2的RPC为20000。因此，SWCG0/0/1被选为根接口。

3. 选举指定端口：

• SWA作为根桥，其所有端口都是指定端口。
• 对于SWAG0/0/1到SWBG0/0/1的链路，由于SWA的桥优先级更高，因此SWAG0/0/1是指定端口。
• 对于SWAG0/0/2到SWCG0/0/1的链路，同样由于SWA的桥优先级更高，因此SWAG0/0/2是指定端口。
• 对于SWBG0/0/2到SWCG0/0/2的链路，由于SWB的MAC地址更小，因此SWBG0/0/2是指定端口。

4. 阻塞非根接口和非指定端口：最终，SWCG0/0/2将被逻辑上阻塞，因为它既不是根接口也不是指定端口。

通过STP协议，网络中的冗余链路被合理利用，既保证了网络的冗余性，又避免了环路问题，提高了网络的稳定性和可靠性。