学习目标
环路引起的问题
掌握STP的工作原理
掌握STP的基本配置
STP的配置
环路引起的问题
一、广播风暴（Broadcast Storm）
问题原理：
- 交换机对广播帧（如 ARP 请求、DHCP 发现报文）的处理方式是洪泛（Flooding）：收到广播帧后，会从除入端口外的所有端口转发。
- 若存在环路，广播帧会在环路中无限循环转发，形成 “风暴”。
具体影响：
- 带宽耗尽：大量广播帧占用链路带宽，导致正常业务数据无法传输，网络卡顿甚至瘫痪。
- 设备负载过高：交换机 CPU 持续处理海量广播帧，性能急剧下降，可能导致设备死机。
- 终端资源浪费：主机被迫接收大量重复广播帧，消耗 CPU 和内存资源。
二、MAC 地址表震荡（MAC Table Flapping）
问题原理：
- 交换机通过接收帧的源 MAC 地址学习主机位置，并记录在 MAC 地址表中（端口 + MAC 映射）。
- 环路中，同一主机的帧可能从多个端口到达交换机，导致 MAC 地址表项频繁更新（例如：主机 A 的帧先从端口 1 进入，表项记录为 “MAC-A→端口 1”；随后同一帧从端口 2 进入，表项被更新为 “MAC-A→端口 2”，反复震荡）。
具体影响：
- 转发错误：MAC 地址表频繁变动，导致交换机无法稳定转发单播帧，部分数据可能被错误地洪泛或丢弃。
- 表项资源耗尽：交换机 MAC 地址表容量有限，震荡会加速表项老化，甚至导致合法主机的表项被覆盖。
三、多帧复制（Multiple Frame Copies）
问题原理：
- 单播帧或组播帧在环路中会沿多条路径传输，导致接收方收到多个重复帧。
具体影响：
- 应用层异常：例如，TCP 接收方可能因重复数据包触发重传机制，降低传输效率；某些应用（如数据库、实时通信）可能因重复数据导致逻辑错误。
- 流量倍增：冗余路径增加网络流量，进一步加剧带宽压力。
四、网络收敛缓慢与资源浪费
问题原理：
- 未部署环路破除机制（如 STP）时，交换机无法感知环路存在，只能被动处理异常流量。
- 即使部署 STP，环路收敛（阻塞冗余端口）需要一定时间（传统 STP 默认约 50 秒），期间网络仍可能受上述问题影响。
具体影响：
- 业务中断风险：在环路收敛完成前，网络可能处于不可用状态。
- 冗余链路未被合理利用：传统 STP 会完全阻塞冗余链路，导致带宽资源浪费（后续优化协议如 MSTP 可解决部分问题）。
五、安全隐患
问题原理：
- 环路可能被恶意利用，例如：
- 攻击者通过伪造 MAC 地址触发 MAC 表震荡，实施拒绝服务（DoS）攻击。
- 重复的广播帧可能泄露更多网络信息（如 ARP 报文包含主机 IP-MAC 映射）。
总结：环路的核心危害
| 问题类型 | 本质原因 | 典型现象 |
|---|---|---|
| 广播风暴 | 广播帧无限循环转发 | 网络带宽占满，设备负载过高 |
| MAC 地址表震荡 | 同一 MAC 通过不同端口频繁更新表项 | 单播帧转发异常，表项不稳定 |
| 多帧复制 | 帧通过多条路径到达接收方 | 接收方收到重复数据 |
| 收敛缓慢与资源浪费 | 缺乏环路破除机制或协议收敛时间长 | 业务中断、冗余链路未被利用 |
解决手段（核心思路：破除环路）
- 物理层面：避免手动连接形成环路（如不随意交叉连接交换机端口）。
- 二层协议：部署生成树协议（STP/RSTP/MSTP），通过阻塞冗余链路构建无环逻辑拓扑。
- 三层隔离：通过 VLAN 划分或三层路由（路由器 / 三层交换机）将网络分段，限制广播域范围。
环路是二层网络的 “致命缺陷”，必须通过协议（如 STP）或架构设计（如分层组网）彻底消除，以保障网络的稳定性和效率。
STP的工作原理
生成树协议（STP，Spanning Tree Protocol）是一种用于构建无环二层网络的核心技术，其核心原理是通过动态阻塞冗余链路，确保网络中只有一条逻辑路径可达，从而避免广播风暴和环路问题。以下是 STP 工作原理的详细解析：
一、核心机制：BPDU 与选举算法
STP 通过桥协议数据单元（BPDU）在交换机间传递信息，核心字段包括：
- 根桥 ID：标识当前网络中的根桥（Root Bridge）。
- 根路径开销（RPC）：从当前端口到根桥的累计链路开销。
- 发送者 BID：发送该 BPDU 的交换机的桥 ID（由优先级和 MAC 地址组成）。
- 端口 ID（PID）：发送端口的优先级和编号。
STP 的核心算法分为四个步骤：
- 选举根桥：全网中桥 ID 最小的交换机成为根桥。桥 ID 由优先级（默认 32768，可配置为 0-61440，步长 4096）和MAC 地址组成，优先级越小、MAC 地址越小越优先。
- 选举根端口：非根交换机上到根桥路径开销最小的端口。若开销相同，依次比较发送者 BID、发送端口 PID、接收端口 PID35。
- 选举指定端口：每个物理链路（网段）上到根桥路径开销最小的端口。若开销相同，比较发送者 BID；若仍相同，比较端口 PID79。
- 阻塞非指定端口：未被选为根端口或指定端口的端口进入阻塞状态，仅接收 BPDU 以监测拓扑变化18。
二、关键术语与选举规则
1. 路径开销（Cost）
- 计算依据：链路带宽越高，Cost 值越小（如 10Gbps 链路 Cost 为 2，1Gbps 为 4，100Mbps 为 19）10。
- 动态累加：从根桥到当前端口的所有链路 Cost 之和为根路径开销（RPC），用于根端口和指定端口的选举59。
2. 端口优先级与 PID
- 端口优先级：取值 0-240，步长 16（默认 128），优先级越高（数值越小）越优先被选为指定端口1112。
- 端口 ID（PID）：由端口优先级和端口号组成（如
128.1表示优先级 128、端口号 1），用于在路径开销和发送者 BID 相同的情况下决定端口角色45。
3. 桥 ID（BID）
- 组成：16 位优先级 + 48 位 MAC 地址（如
32768.000c.29ab.cdef）。 - 选举规则：全网 BID 最小的交换机成为根桥，优先级相同时比较 MAC 地址1314。
三、STP 的工作流程
1. 初始化阶段
- 所有交换机启动时自认为根桥，通过所有端口发送 BPDU。
- 交换机收到其他设备的 BPDU 后，比较根桥 ID：
- 若收到的 BPDU 中根桥 ID 更小，则更新本地根桥信息并转发该 BPDU。
- 若收到的 BPDU 中根桥 ID 更大，则忽略该 BPDU，继续发送自己的 BPDU39。
2. 收敛阶段
- 根桥确定：经过多轮 BPDU 交换，全网选举出唯一根桥。
- 根端口选举：非根交换机根据 RPC、发送者 BID、端口 PID 选择最优上行端口。
- 指定端口选举：每条链路根据 RPC、发送者 BID、端口 PID 选择转发端口。
- 阻塞非指定端口：剩余端口进入阻塞状态，仅接收 BPDU89。
3. 拓扑维护阶段
- 根桥周期性发送 BPDU（默认 2 秒间隔），非根桥通过根端口接收并转发 BPDU。
- 端口状态迁移：
- 阻塞（Blocking）：不转发数据，仅监听 BPDU（20 秒）。
- 监听（Listening）：参与生成树计算，发送 BPDU（15 秒）。
- 学习（Learning）：学习 MAC 地址，但不转发数据（15 秒）。
- 转发（Forwarding）：正常转发数据19。
4. 拓扑变化处理
- 链路故障：若根端口或指定端口失效，交换机通过TCN BPDU向上游发送拓扑变更通知，根桥收到后发送 TC 标记的 BPDU，加速全网 MAC 表老化（从 300 秒缩短至 15 秒）12。
- 新设备接入：新交换机发送 BPDU，若其 BID 更小，可能触发根桥重新选举，导致部分端口状态迁移39。
四、STP 的局限性与优化方向
- 收敛速度慢：默认收敛时间约 50 秒（20 秒阻塞 + 15 秒监听 + 15 秒学习），不适用于高实时性场景18。
- 无法负载均衡：冗余链路被完全阻塞，未被充分利用19。
- 依赖根桥稳定性：根桥故障可能导致全网重新收敛59。
优化协议：
- RSTP（快速生成树协议）：将收敛时间缩短至秒级，引入快速迁移机制。
- MSTP（多生成树协议）：支持多实例生成树，实现跨 VLAN 的负载均衡18。
五、典型应用场景
- 企业园区网络：通过冗余链路提升可靠性，STP 自动阻塞冗余路径，防止环路。
- 数据中心互联：在核心层部署 STP，确保跨设备链路的稳定性。
- 临时网络搭建：快速构建无环拓扑，避免手动配置带来的错误19。
六、配置示例（华为设备）
# 全局启用STP
system-view
stp enable
# 配置根桥（优先级0）
stp root primary
# 配置指定端口优先级（端口GE0/0/1优先级16）
interface GigabitEthernet0/0/1
stp port priority 16
# 查看STP状态
display stp brief
总结
STP 通过选举根桥、根端口和指定端口，动态阻塞冗余链路，确保网络无环。其核心依赖 BPDU 的交换和路径开销计算，但存在收敛速度慢和无法负载均衡的局限。在实际部署中，可结合 RSTP 或 MSTP 优化性能，同时通过调整优先级和路径开销灵活控制网络拓扑。
掌握STP的基本配置
对一些简单的操作不会的请参考交换机基础实验（手把手做实验）-CSDN博客
实验目的
- 观察广播风暴
- 观察STP的各种角色，端口角色。
实验步骤
1.打开eNSP新建topo（拓扑），拖动三台交换机（S5700）和一个PC机，连接起来，连接完成后启动设备，如下图所示。
就这样连接，连接好之后如下图所示。
2.关闭所有交换机的生成树（STP），点击交换机敲入undo stp enable或者stp disable（都是关闭STP的命令）。（对详细的步骤不清楚的可以去翻看交换机基础实验（手把手做实验）-CSDN博客）
3.打开交换机1，敲入display stp brief，看弹出的信息
4.给PC机配置一个IP地址（这里我习惯配置192.168.10.1），然后在三台任意链路进行抓包，在PC机上随意ping一个IP地址。我们可以观察到抓包的数据会一直跳出来，会永久循环，这种情况就是广播风暴。（此处不建议大家拿真机玩这个实验）
观察完了之后给三个交换机都敲入stp enable打开STP。
5.对任意交换机敲入dis stp 查看全局信息，我们观察到交换机目前使用的全局信息是MSTP，我们需要修改模式，回车后给所有交换机敲入stp mode stp 切换到stp模式。
6.现在观察每一个交换机的Mac地址看谁最小（对比的是ccba、cce9、cc18），谁就是根桥。通过与对比发现交换机3最小，根桥是交换机3。
7.在交换机3上敲入dis stp brief会弹出0/0/2和0/0/3接口属于指定端口且处于转播状态。
8.在交换机1上敲入dis stp brief，可以看到0/0/3是根端口，0/0/1是指定端口。
9.在交换机2上敲入dis stp brief，可以看到0/0/2是根端口，0/0/3是指定端口，0/0/1端口处于discarding状态（丢弃状态，不再进行数据转发），因此环路消失。
如果要改变交换机的优先级该如何操作？
1.紧接上面步骤，在你想使优先的交换机上敲入stp priority 0（priority有讲究不能乱改，priority的步长是4096，因此只能改为4096×n的数字），此时我拿交换机2来演示，先敲入stp priority 0敲入dis stp brief，我们发现这两个端口都处于discarding状态，这个是状态变迁过程，我会在之后发布的笔记里总结。这里就不断的敲dis stp brief，弹出的信息会从discarding变成learning再变成forwarding。
2.再分别对剩下的交换机敲入dis stp brief观察端口状态。
