学习笔记——交换——STP（生成树）简介

一、技术背景

1、生成树技术背景

   

交换机单线路组网，存在单点故障(上左图)，上行线路及设备都不具备冗余性，一旦链路或上行设备发生故障，业务将会中断。

为了使得网络更加健壮、更具有冗余性，将拓扑修改为(上右图)接入层交换机采用双链路，联到两台汇聚设备，构成一个物理链路冗余的二层环境，解决了单链路及单设备故障问题。

但是这样也带来了一个大问题，就是二层物理环境存在环路。

2、二层环路带来的问题

(1)典型问题一：广播风暴

网络中如若存在二层环路，一旦出现广播数据帧，这些数据帧将被交换机不断进行泛洪，从而在网络中造成广播风暴。(上左图)

广播风暴对网络的危害：将严重消耗设备资源及网络带宽，最终导致网络瘫痪。

(2)典型问题二：MAC地址漂移

          

1.PC发送数据帧给Server；

2.SW3的MAC地址表中没有匹配目的MAC的表项，于是将数据帧进行泛洪；

3.SW1及SW2都会收到这个数据帧并学习源MAC，同时将数据帧进一步泛洪；SW1及SW2又从自己另一个接口收到这个数据帧，于是MAC表又一次发生改变，如此往复。

(上右图)以SW1为例，5489-98EE-788A会不断的在GE0/0/1与GE0/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。

即使不是人为搭建冗余的物理环境而导致的环路，网络也有可能因为种种原因出现二层环路引发的故障。

交换机环路带来的问题：广播风暴、mac地址表不稳定、网络卡顿、网络不稳定、过多占用交换机的cpu和内存等等。

3、有没有什么办法解决环路的问题呢？

生成树(Spanning-tree)协议就是用于解决环路这个问题的。

什么是生成树？

1、解决二层环路。

2、防止广播风暴。 广播风暴造成的结果是什么？   造成广播风暴的原因是什么？

       广播报文在两个或多个交换机间大量的、重复的、无休止的传递。洪范、冗余链路。

3、防止MAC地址表的不稳定。

4、防止数据帧的重复拷贝。

    

通过在交换网络中部署生成树(Spanning-tree)技术，能够防止网络中出现二层环路。

STP运行后，如果网络中存在环路，那么STP通过阻塞(Block)特定的接口从而打破环路，并且在网络出现拓扑变更时及时收敛，以保证网络的冗余性。(如上边左图所示)

当拓扑发生变更的时候，生成树协议能够探测到这些变化，并且及时自动的调整接口状态，从而适应网络拓扑的变化，实现链路冗余。(如上边右图所示)

4、生成树协议在园区网络中的应用位置

5、二层环路与三层环路

常见环路主要分为：二层环路和三层环路。

(1)三层环路                    (2)二层环路

            

常见原因：路由环路           常见原因：网络中部署了二层冗余环境，或人为的误接线缆导致；

防环方法：                       防环方法：

1、通过动态路由协议防环。            1、需借助特定的协议或机制实现二层防环；

2、IP报文头部中的TTL字段用于防止报   2、二层帧头中并没有任何信息可用于防止数据帧被无

文被无止尽地转发。                   止尽地转发。

二、STP简介

1、STP概述

STP(spanning tree protocol，生成树协议) STP是一个用于局域网中消除数据链路层物理环路的协议，标准名称是 802.1D。

运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，对某些接口进行阻塞以消除环路。

STP在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时，STP能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。(下左图)

注意：在华为的交换机上，开机默认自动运行。

2、STP(生成树)作用

STP通过阻塞端口来消除二层交换机环路(交换机与交换机间)，并能够实现链路备份的目的。

消除环路：通过阻塞冗余链路消除网络中可能存在的网络通信环路。

链路备份：当前活动的路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。      

解决方案：逻辑性阻塞某个接口. 使用STP来逻辑的阻塞某一个接口，使其只接收流量，不发送流量从而防止环路。

3、标准STP的缺陷

(1)收敛时间长

在默认情况下，STP的收敛时间为30s(侦听(Listening)+学习(learning)各15s)，在某些场景下，收敛时间更是长达50s(例如根桥故障，不向外发送BPDU，交换机需要先等待20s的老化时间，再加上30s的侦听(Listening)+学习(learning))，在这个时间段内，会导致网络长时间的中断。

(2)拓扑变化时收敛机制不灵活

当企业上下班时间，每个员工将自己的PC进行开关机的操作，现网当中就会出现大量的TCN（拓扑变更） BPDU，影响设备的性能，而PC机器其实不需要参加到生成树计算当中。

BPDU转发时，唯一不变的是根桥的ID。

交换机只有在发送BPDU时，才会算上自己的开销，接受BPDU时，不会算上自己的开销(cost)。

指定端口(DP)：发送最优的BPDU

根端口(RP)：收最优的BPDU

阻塞端口(AP):既不是指定端口，又不是根端口，则为阻塞端口

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