前言

2023-5-12 21:03:00

以下内容源自《【实验】【计算机网络】》
仅供学习交流使用

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2.3 STP工作过程

2023-5-12 21:03:00

实验目的

1．了解物理环路引发的多种问题;
2．理解STP如何将物理上存在环路的网络拓扑转变为逻辑上没有环路
的网络拓扑;
3．能够根据STP协议原理，判定根桥以及收敛后的端口角色和端口状态;
4．能够在拓扑发生变化时，准确判断备用端口的状态变化。

实验内容及实验环境

1．利用5台交换机，1台集线器，2台主机搭建网络拓扑环境;
2．通过观察生成树状态，分析生成树协议工作过程;
3．根据生成树算法，判定根桥、根端口、指定端口、备用端口。
4．验证发生故障后STP重新构造生成树的过程。

实验原理

• 提高网络可靠性:冗余拓扑
• 付出的代价:导致物理环路
  

为了提高网络的可靠性，在典型的园区网络中，我们通常会部署几余设备或冗余链路，使业务流量在故障发生时能够通过冗余设备和链路进行转发，从而避免由于某个设备或链路故障导致的网络通信中断问题，可以看到图中站点间有多条路径，这种冗余性设计虽然提高了网络的可靠性但是却构成了物理环路。

物理环路引发的问题1:广播风暴

• 假设PC1发送了一个广播帧，三台交换机均会对广播帧进行泛洪;
• 由于物理环路的存在，广播帧会在逆时针和顺时针两个方向上无休止的兜圈子，迅速消耗网络资源。
• 所有主机也会不停收到广播帧副本，消耗主机处理资源。

物理环路可能会引发一些灾难性问题
比如广播风暴问题，根据之前我们学习的交换机帧转发原理，我们知道交换机对广播帧会进行泛洪的操作，PC1发出了一个广播帧，三个交换机都会泛洪该帧，由于环路的存在，在逆时针方向上，和顺时针方向上，广播帧会不断兜圈子，无限循环，迅速消耗网络资源。

物理环路引发的问题2:MAC地址表翻摆

• 当PC1发送的广播帧的多个副本从不同方向到达不同端口时，交换机会无休止地修改MAC地址表中PC1的MAC地址对应的端口，快速翻摆。

比如该广播帧从端口1到达S2时，S2会逆向学习帧的源地址MAC1，在MAC地址表中该地址对应端口1，当广播帧从端口2到达S2时，S2会修改MAC1的表项对应端口2，由于环路上的广播帧无休止地从不同方向来袭，S2会不停地修改MAC1的表项，造成表项的快速翻摆。

物理环路引发的问题3:重复帧

• PC1向PC2发送一个单播帧，假设S1的MAC地址表中不存在目的站PC2的MAC地址表项，而S2和S3MAC地址表中有相关表项。
• PC2会重复收到该帧。
  

生成树协议

如何在保证网络冗余性的情况下，避免由物理环路引发的灾难性问题。最典型的解决方案就是生成树协议，IEEE802.1D中定义了STP协议。

• IEEE802.1D中定义了生成树协议(Spanning Tree Protocol，STP)
• 在一个具有物理环路的交换网络中，交换机通过运行STP协议，自动在逻辑上阻塞一个或多个冗余端口，生成一个没有环路的工作拓扑。
• —棵生成树仅含一个根节点，任何一个节点到根节点的路径不但是唯一的，而且是最优的。

怎么得到一棵无环的生成树呢?

交换机是网桥的现代名称，IEEE标准中桥这个术语沿用至今，在生成树协议原理的介绍中我们依然会使用桥这个术语
目前网桥和交换机两个术语是可以混用的。

BPDU分两类，一类用于进行生成树的计算和维护，另一类用于在拓扑变化时通知设备。在生成树生成过程中有三个重要的选举过程

• 参与的交换机（网桥)︰收发桥协议数据单元BPDU
• 三个选举过程
  (1)选举根桥(Root Bridge)
  (2)为每个非根桥选出一个根端口(Root Port)
  (3)为每个网段确定一个指定端口(Designated Port)
• 阻塞备用端口(Alternate Port，AP)

选举过程1:选举根桥

在给定广播域内只有一个根桥，其它均为非根桥。

选举过程2:为每个非根桥确定根端口

给BD选取根端口

表展示了端口速率与默认开销的对应关系同理，FO/1为D的根端口。

下面，给C选择根端口

给拓扑之后的E选取根端口
拓扑不会影响树根的地位

选举过程3:为每个网段确定指定端口

AB、AD网段的指定端口

BC、CD网段的指定端口

CE上、CE下网段的指定端口

网段N的指定端口

阻塞备用端口

备用端口：不可以转发但是可以接受

物理上存在环路
逻辑上没有环路

生成树的某“枝”断掉了，怎么办?

BC段出问题

之前的指定端口F0/1不工作
经过STP
备用端口F0/2开始工作

保证C的连通性

实验过程

下面来进行实验过程

搭建实验环境

5台交换机并标注MAC地址

进入CLI配置
输入：enable
show interface vlan 1

其他，交换机进行类似的操作

接下来：我们人为地对比桥ID的大小

首先，看优先级的数值
对于这几台交换机，我们并没有修改它的优先级，所以是默认优先级，相同的

对比MAC地址的大小

我们跳整位置：将根桥调整到最左侧。
以方便观察STP生成树协议

并给交换机加入标识：

下面：添加一台集线器，作为实验中的网段N

添加两台PC

连接线缆：

注意：图中两处两条交叉线
两条直通线

下面：配置PC的IP地址

左：192.168.1.1
右：192.168.1.2

下面：通过ping命令检查网络

左ping右：ping 192.168.1.2

STP分析

交换机启动以后，会自动运行STP协议

根端口的选择：
参见实验原理

选取指定端口：
参见实验原理

标注：

可以看到：对备用端口的阻塞

刚才的分析，实际与STP协议计算的是一致的

下面：

打交换机A的命令配置端口

输入enable，进入特权模式
输入show spanning-tree，来查看生成树的状态的信息

打交换机B的命令配置端口

输入enable，进入特权模式
输入show spanning-tree，来查看生成树的状态的信息

D与B类似

C：
输入enable，进入特权模式
输入show spanning-tree，来查看生成树的状态的信息

E：

故障产生的影响

当网络故障时，STP会重新运行

下面，我们手动模拟故障，查看生成树的变化

点击，交换机D
点选Config选项卡
找到FE0/2

此时，CD段不连通了

等待，生成树的重新计算，需要一个时延

这时，生成树生成好了

我们发现，C的备用端口F0/1，被重新启用。
由于生成树的重写计算，该端口成为根端口。
转发的状态

测试：连通性

依然连通

这便说明：
STP协议检测到网络故障时，及时调整端口的状态
启用备用端口，使得通行不受影响

禁用STP的影响

交换机默认开启STP

思考：如果禁用，会怎么样

通过实验演示

简化：网络拓扑

可以将之前的文件复制或另存为新文件

STP启动时
可以看到所有状态都为阻塞

STP运行期间，不能通信
右边主机ping左边主机：显示超时

选举端口完毕后，网络连通了

逻辑上没有环路
C的F0/1被阻塞

下面：我们禁用STP协议运行

点击交换机A，选择CLI选项卡
输入：enable
config terminal
no spanning-tree vlan 1

接下来，依次，禁用BCD的STP协议

所有端口都是转发的状态了
不光是物理上有环路，逻辑上也有了环路

该环路对数据传输会造成什么影响？

切换到Simulation模式
事件过滤查看ICMP

发送一个复杂PDU
源站选择：左边的PC

单步执行
查看环路上的执行情况

到达A

到达BD

到达C

再次到达BD

到达A

再次到达BD

产生广播风暴
网络上充斥着顺时针与逆时针的传送

下面：测试主机间是否可以正常地通行

切换到RealTime模式

右主机ping左主机：ping 192.168.1.1

发现网络不能正常通行

所以，禁用STP，在环路上很容易形成广播风暴

因此，交换机默认开启STP，以避免形成环路所引发的各种问题

实验过程演示结束

2.3.1实验章节测验

一.单选题（共2题,28.5分）

1【单选题】当局域网中添加交换机时,要想使这台新交换机成为根交换机，怎么做最好?
A、减小其网桥优先级的数值
B、改变交换机的MAC地址
C、降低交换机的端口的根通路开销
D、为交换机指定特定的IP 地址

我的答案：A得分： 14.2分

2【单选题】在交换式局域网中生成树算法的目的是什么?
A、为交换环境中的网络提供监控机制
B、跨多个交换机管理VLAN
C、防止冗余交换路径在网络中构成交换环路
D、将网络分割成多个冲突域
E、防止网络中的路由环路

我的答案：C得分： 14.3分

二.阅读理解（共1题,14.3分）

1【阅读理解】

如图所示的网络中，如果运行STP，假设交换机所有端口为百兆端口，请回答以下问题：

(1) [单选题]
根桥是（ ）
A、Switch0
B、Switch1
C、Switch2
D、Switch3

得分： 3.5分我的答案： A

(2) [多选题]
经过STP 三个选举过程后，被选为根端口的是（ ）
A、port1
B、port2
C、port3
D、port4
E、port5
F、port6
G、port7
H、port8

得分： 3.6分我的答案： CDG

(3) [多选题]
经过STP 三个选举过程后，被选为指定端口的是（ ）
A、port1
B、port2
C、port3
D、port4
E、port5
F、port6
G、port7
H、port8

得分： 3.6分我的答案： ABEF

(4) [单选题]
经过STP 三个选举过程后，被阻塞的端口的是（ ）
A、port1
B、port2
C、port3
D、port4
E、port5
F、port6
G、port7
H、port8

得分： 3.6分我的答案： H

三.多选题（共2题,28.6分）

1【多选题】关于STP, 下列描述正确的是? ( )
A、根桥上不存在指定端口
B、根桥上不存在根端口
C、一个非根桥上可能存在一个根端口和多个指定端口
D、一个非根桥上可能存在多个根端口和一个指定端口

我的答案：BCD得分： 14.3分

2【多选题】关于STP, 下列描述正确的是? ( )
A、桥优先级的值越小，则桥优先级越高
B、一个交换机的桥ID ( Bridge Identifer)越小，则它成为根桥的可能性就越大
C、端口ID 的值不会影响根桥的选举结果
D、处于Blocking状态的端口是不能转发用户数据帧的

我的答案：ABCD得分： 14.3分

四.判断题（共2题,28.6分）

1【判断题】非根交换机只能有一个根端口。

我的答案：√得分： 14.3分

2【判断题】交换机上的非根端口和非指定端口统称为备用端口，STP 对这些备用端口进行逻辑阻塞。

我的答案：√得分： 14.3分

最后

2023-5-13 00:01:24

你对我百般注视，
并不能构成万分之一的我，
却是一览无余的你。

祝大家逢考必过
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