STP原理与配置以及广播风暴实验STP实验

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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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：

1. 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。
2. 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）

1. 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）。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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

1. 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。
2. 无法负载均衡：冗余链路被完全阻塞，未被充分利用19。
3. 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

1. 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。
2. 数据中心互联：在核心层部署 STP，确保跨设备链路的稳定性。
3. 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

1. 观察广播风暴
2. 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。

实验完成