第8章 STP 协议

第8章STP 协议

本章能帮助大家掌握以下技术要点：

①通过配置交换机的网桥优先级来选择合适的根网桥，使网络的整体稳定性提高

②通过PVST的配置实现交换网络的负载分担

③正确配置上行速链路和速端口

④配置EthernetChannel

通过前面的学习，学会了如何使用交换机组网。但是，有没有想过，当企业对可靠性的要求很高的时候，除了使用可靠性比较高的设备外，还能怎样提高整个网络可靠性呢？

在实际的网络环境中，物理环路可以提高网络的可靠性，当一条线路断掉的时候，另一条链路仍然可以传输数据。但是，在交换的网络中，当交换机接收到一个未知目的地址的数据帧的时候，交换机的操作是将这个数据帧广播出去，这样，在存在物理环路的交换网络中，就会产生一个双向的广播环，甚至产生广播风暴，导致交换机死机。这就产生了一个矛盾，需要物理环路来提高网络的可靠性，而环路又可能产生广播风暴，如何才能两全其美呢?

本章将要讲述的STP(Spanning Tree Protocol，生成树协议)，就是用来解决这个矛盾的。STP协议在逻辑上断开网络的环路，防止广播风暴的产生，而一旦正在用的线路出现故障，被逻辑上断开的线路又被连通，继续传输数据。在本章中，将详细讲解STP的工作原理与配置。

8.1 STP(生成树协议)概述

8.1.1 交换机的工作原理

在讨论STP之前，首先回顾一下交换机的工作原理：

◇交换机通过学习数据帧中的源MAC地址生成交换机的MAC地址表，MAC地址表是一张MAC 地址与交换机端口对应的列表。

◇交换机查看数据帧的目标MAC地址，根据MAC地址表转发数据。

◇如果交换机在表中没有找到匹配项，则向除接收到这个数据帧的端口以外的所有端口广播这个数据帧。

如图8.1所示，交换机A接收到来自主机aa发出的数据帧，交换机A查找MAC地址表，发现表中没有关于地址xx的表项，于是，会向外广播这个数据帧。

在没有环路的网络中，这种广播没有负面影响，但是，如果是在一个物理上有环路的网络中，会是什么情况呢?

如图8.2所示，还是上述情况，主机aa发送了一个目标地址为交换机未知的数据帧，交换机A会向B和C广播该数据帧，交换机B和C在MAC地址表中也不能找到匹配的表项，也会向外发送广播，这样，在网络内就形成了双向的广播环，而且这个广播永远不会停止，除非切断物理线路。

最终，由于网络环路，整个网络会因为广播风暴导致资源耗尽，交换机宕机。交换机发生广播风暴的表现是所有端口的指示灯都闪烁，CPU的利用率不断升高，网络中主机不能正常通信。

图8.1 交换机工作原理

图8.2 广描风暴的严生

前面就提到过，环状的物理链路能够为网络提供备份线路，增强网络的可靠性，是必要的，因此，需要一种解决方法，一方面保证网络的可靠性，另一方面还要防止广播风暴的产生。

STP协议就是用来解决这个问题的。STP协议不断掉物理环路，而是在逻辑上断开环路，防止广播风暴的产生。

8.1.2 STP概述

STP在交换技术中是一个很重要的主题，在使用STP的网络中，如果在最初部署STP时没有进行很好的规划，就可能导致配置、故障排除和维护工作量的加大。

STP叫做生成树协议，顾名思义，就是把一个环形的结构改变成一个树形的结构。STP 协议就是用来将物理上存在环路的网络，通过一种算法，在逻辑上断开一些端口，来生成一个逻辑上的树形结构。如图8.3所示，3台连接成环形结构的交换机，使用STP协议后，交换机B与C连接的接口被协议从逻辑上阻止，这条线路也就不能再传输数据了，也就是从逻辑上打破了环路。

图8.3 STP协议功能示意1

而交换机B与C之间的物理线路并没有断开。如果交换机A与B或A与C之间的连接线路出现故障时，交换机B上的端口还能重新激活。如图8.4所示，交换机A与C之间的连接线路出现了故障，STP协议会激活B上被阻止的接口，使数据从B到C这条线路传输。

图8.4 STP协议功能示意2

那么STP协议如何实现将环形结构的拓扑变成树形结构呢? STP协议如何知道哪个接口应该被阻止，哪些接口应该用来传输数据呢? 它依据的算法是什么样的? 下面将详细讲解STP协议的工作原理。

8.2 STP工作原理

8.2.1 生成树算法

生成树协议运行生成树算法(STA)。生成树算法很复杂，但是其过程可以归纳为以下3个步骤：

(1)选择根网桥(Root Bridge)

(2)选择根端口(Root Ports)

(3)选择指定端口(Designated Ports)

------------------------------------------------------------------------------- 提示：网桥是交换机的前身，由于STP是在网桥基础上开发的，因此现在在交换机的网络中仍然沿用网桥这一术语。

------------------------------------------------------------------------------- 下面，以一个例子来讲解这几个步骤的选择过程，采用如图8.5所示的网络拓扑。

图8.5 STP收敛过程举例

需要将图8.5所示的网络结构变成一个无环的拓扑，首先，STP要选择根网桥，前面讲过，STP是将一个环形的拓扑变成一个树状的拓扑结构，因此选择根网桥实际上就是为网络选出一个树根。那么选择根网桥的依据是什么呢?

1．选择根网桥

选择根网桥的依据是网桥ID，网桥ID是一个8字节的字段，组成如图8.6所示，前2个字节的十进制数称为网桥优先级，后6个字节是网桥的MAC地址。

图8.6 网桥ID的组成

网桥优先级是用于衡量网桥在生成树算法中优先级的十进制数。取值范围为O～65535 。默认值是32768。网桥ID中的MAC地址是交换机的MAC地址之一，当使用命令show mac-address-table查看交换机的MAC地址表的时候，显示在最前面的MAC地址就是STP计算用的交换机的MAC地址。

查看交换机MAC地址的命令与显示信息如下：