生成树协议

4.1.1 实验目的

（1）理解生成树协议STP的用途

（2）理解生成树协议STP的工作过程

（3）掌握根桥、根端口、指定端口的选举规则

（4）掌握生成树协议STP中端口角色的变化

（5）掌握基本生成树协议的配置

4.1.2 实验原理

1.生成树协议STP

网络设计通常采用冗余方法提高网络的健壮性、稳定性。常见的冗余方式有：链路冗余和设备冗余。如图4-1所示。该三层结构的网络中，核心层、分布层和接入层均采用了链路冗余。

不过，对网络中冗余链路会造成网络中的环路，而第二层的网络环路则会带来以下问题：

（1）广播风暴。

（2）多帧复制。

（3）MAC地址表的不稳定。

为了解决第二层网络环路问题而又要保证网络的稳定和健壮性，引入了链路动态管理的策略。首先通过阻塞某些链路避免环路的产生，当正常工作的链路由于故障断开时，阻塞的链路立刻激活，迅速取代故障链路的位置，保证网络的正常运行。这就是生成树（STP）协议的主要思想。

2.STP的工作过程

STP通过协商阻断一些交换机端口，以确保网络中所有目的地之间只有一条逻辑路径，构建一棵没有环路的转发树。当一个端口阻止流量进入或离开时，该端口便视为处于阻塞状态。不过 STP 用来防止环路的网桥协议数据单元 (BPDU) 帧仍可继续通行。为了在网络中形成一个没有环路的拓扑，交换机要进行以下3个步骤：

（1）选举根桥。

（2）每个非根桥交换机计算到达根桥的最短路径。

（3）选择活动端口以及端口的角色类型。

其中STP端口类型一共有3种，如表4-1所示种：

表4-1 STP端口类型

端口类型	功能说明
根端口(root port)	存在于非根桥上，指到达根桥路径开销最小的端口，每个交换机只能有一个。
指定端口(designated port)	负责发送网段BPDU的端口，每个物理网段只能有一个。
非指定端口(non-designated )	被阻塞的端口，不能转发数据帧

在STP的根桥和根端口选择过程中，哪个交换机能获胜将取决于以下因素（按顺序进行）：

l 最低的根桥ID，也叫BID；

l 最低的根路径代价；

l 最低发送者桥ID；

l 最低发送者端口ID。

下面举例说明了生成树的工作过程：

①选举根桥：每个交换机都具有一个唯一的桥ID(BID, Bridge ID)，这个ID由两部分组成，如下图所示：

网桥优先级是一个2字节的数，交换机的默认优先级为32768 ；MAC地址就是交换机的MAC地址。具有最低桥ID的交换机就是根桥。

BID的信息被封装在BPDU中，每个交换机广播接收到的BPDU和发送自身的BPDU，通过BPDU泛洪，可以获知BID最小的交换机，该交换机即被选为根桥。例如在图4-2中，三台交换机的优先级(Priority)相同，SwitchA 的MAC地址最小，所以SwitchA的 BID最小，被选举为根网桥。

②选取根端口：选举了根桥后，其他的交换就成为了非根桥。根桥上的接口都是指定端口，会转发数据包。每台非根桥要选举一条到根桥的根路径。STP使用路径代价Cost值来决定到达根桥的最佳路径（Cost是累加的，带宽大的链路Cost低），最低Cost值的路径就是根路径，该端口就是根端口；如果Cost一样，就根据选举顺序选举根口。根口转发数据包。生成树链路开销代价如表4-2所示。

表4-2 生成树链路开销代价表

链路带宽	旧标准	新标准
10Mbps	100	100
100Mbps	10	19
1Gbps	1	4
10Gps	1	2
>10Gbps	1	1

在图4-3中，各个非根网桥中的端口中，到根网桥路径开销最小的端口被指定为根端口，在图中，Switch B和C 的两个端口F0/1、F0/2的开销分别为19和38，所以F0/1被选定为根端口。

③选举指定端口和非指定端口：当交换机确定了根端口后，还必须将剩余端口配置为指定端口 (DP) 或非指定端口（非 DP），以完成逻辑无环生成树。交换网络中的每个网段只能有一个指定端口。当两个非根端口的交换机端口连接到同一个 LAN 网段时，会发生竞争端口角色的情况。这两台交换机会交换 BPDU 帧，以确定哪个交换机端口是指定端口，哪一个是非指定端口。一般而言，交换机端口是否配置为指定端口由 BID 决定。所以在网段2所连接的2个端口，Switch B的BID值小于Switch C的BID值，所以 Switch B的F0/2为指定端口，处于转发状态。Switch C的F0/2为非指定端口，处于阻塞状态。

3.STP的收敛过程

当网络的拓扑发生变化时，网络会从一个状态向另一个状态过渡，重新打开或阻断某些端口口。交换机的端口状态状态变换和时间如下图：

从上图可以看出STP的最长收敛时间为50s。

当网络的拓扑发生变化时，网络会从一个状态向另一个状态过渡，重新打开或阻断某些端口。交换机的端口要经过几种状态：禁用（Disable）——>阻塞（Blocking）——>监听状态（Listenning）——>学习状态（Learning）——>转发状态（Forwarding）。每种端口状态对数据的处理如表4-2所示。

表4-3 生成树端口状态对数据的转发

过程	阻塞	侦听	学习	转发	禁用
接收并处理BPDU	能	能	能	能	不能
转发接口上收到的数据	不能	不能	不能	能	不能
转发其它接口发来的数据帧	不能	不能	不能	能	不能
学习MAC地址	不能	不能	能	能	不能

4.STP的配置命令

表4-4 STP常用配置命令

相关命令	功能
S1#show spanning-tree	查看交换机生成树协议的配置情况
S1(config)# spanning-tree mode pvst/rapid-pvst	配置生成树的模式为STP或是RSTP
S1(config)# spanning-tree vlan 1 priority <0-61440>	配置交换机在VLAN 1中的优先级（优先级为4096倍数），范围为0-61440
S1(config)#spanning-tree vlan 1 root primary	将交换机配置为VLAN1中的根桥
S1(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary	将交换机配置为VLAN1中的次根桥
S1(config-if) # interface fa0 S1(config-if) # spanning-tree vlan 1 cost 18	将fa0端口在VLAN1生成树的路径开销修改为18
S1(config-if) # interface fa0 S1(config-if) # spanning-tree vlan 1 port-priority 16	将fa0端口在VLAN1生成树的端口优先级修改为16，端口优先级为16的倍数，从0~240
S1#show spanning-tree interface fastethernet 0/1	查看端口状态
S1# show spanning-tree vlan vlan-id	查看某个VLAN下的STP配置信息

5.STP配置实例

实验背景：思科的交换机默认启用STP生成树协议，所以不需要做任何配置，接通电源后，交换机自动协商成功。

实验要求：要求配置STP，确保S1为网络中交换机的根桥，S2为网络中交换机的备用根桥，将和PC1连接端口配置为Portfast端口。

步骤1：观察自动STP的根桥选举情况。（无须做任何配置）

观察S1的生成树情况。

S1#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
//根桥的信息
Root ID Priority 32769 // 根桥的优先级
Address 0001.4240.48C4 // 根桥的MAC地址，可知S3为根桥
Cost 19 // 本交换机到根桥路径开销为19
Port 1(FastEthernet0/1) // 本交换机根端口为F0/1
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
//本交换机的信息
// 优先级 = 32768（默认优先级） + 1（VLAN 1的序号）
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address 0001.43E9.8859 //本交换机MAC地址
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/1 Root FWD 19(根端口) 128.1 P2p
Fa0/2 Desg FWD 19(指定端口) 128.2 P2p
Fa0/3 Desg FWD 19 128.3 P2p
②观察S2的生成树情况。
S2#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769 //根桥优先级
Address 0001.4240.48C4 //根桥MAC地址
Cost 19 // 本交换机到根桥路径开销为19
Port 1(FastEthernet0/1) // 本交换机根端口为F0/1
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
//本交换机的信息
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1) //优先级
Address 00E0.F980.4970 // MAC地址
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/1 Root FWD 19(根端口) 128.1 P2p
Fa0/2 Altn BLK 19(阻塞端口) 128.2 P2p
注意：S3的F0/2端口和S1的F0/2端口竞争指定端口时失败，端口被阻塞，不转发报文。
③观察S3的生成树情况。
S3#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769 // 根桥优先级
Address 0001.4240.48C4 //根桥MAC地址
This bridge is the root // 本交换机为根桥
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
//观察可以得知自身MAC地址和根桥MAC地址相同，即本交换机为根桥。
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address 0001.4240.48C4
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/1 Desg FWD 19(指定端口) 128.1 P2p
Fa0/2 Desg FWD 19 (指定端口) 128.2 P2p
Fa0/3 Desg FWD 19(指定端口) 128.3 P2p
步骤2：要让S1成为根桥，S2成为备份根桥，需要修改S1和S2的优先级，将其优先级降低，提高其在选举根桥中的地位。
S1(config)#spanning-tree vlan 1 root primary // 成为根桥
S1(config)#interface f0/3
S1(config-if)#spanning-tree portfast //配置F0/3端口为portfast接口
S2(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary // 成为备用根桥
S1(config)#interface f0/3
S1(config-if)#spanning-tree portfast // 配置f0/3端口为portfast接口

步骤3：结果与测试。
查看S1的生成树情况。
S1#sh spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24577 // 已经发生改变，优先级降低
Address 0001.43E9.8859
This bridge is the root // S1已经成为根桥
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
… 省略部分无关内容
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/1 Desg FWD 19 128.1 P2p
Fa0/2 Desg FWD 19 128.2 P2p
Fa0/3 Desg FWD 19 128.3 P2p
注意：所有的端口都变成了指定端口。
查看S2的生成树情况。
S2#sh spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24577
Address 0001.43E9.8859
Cost 19
Port 2(FastEthernet0/2) //根端口已经发生变化
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
//S2的生成树信息
Bridge ID Priority 28673 (priority 28672 sys-id-ext 1) // 优先级降低，但比S1优
先级要高
Address 00E0.F980.4970
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20
… 省略部分无关内容
从结果看到，我们通过改变交换机的优先级，让网络的根桥选举发生了变化，S1成为根桥，S2成为备用根桥，当S1发生故障时，S2将会取代S1成为网络中的根桥。

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