第13讲 生成树协议(1)
生成树协议
A：生成树协议是通过在网络中选举根交换机，并在其他非根交换机上指定接收bpdu的端口来避免广播风暴的产生的。
生成树协议工作时，正常情况下，交换机的端口要经过几个工作状态的转变。
物理链路待接通时，将在block状态停留２０s，之后是listen状态15s，经过１５秒learn，最后成为forward 状态。
工作过程：运行生成树算法(STA)的交换机定期发送BPDU；选取唯一一个根网桥；在每个非根网桥选取唯一一个根端口；在每网段选取唯一一个标志端口。
(1) 选取唯一一个根网桥：BPDU中包含Bridge ID;Bridge ID(8B)=优先级(2B)+交换机MAC地址(6B);一些交换机的优先级默认为32768，可以修改；优先级值最小的成为根网桥；优先级值相同，MAC地址最小的成为根网桥；Bridge ID值最小的成为根网桥；根网桥缺省每2秒发送一次BPDU；(2) 在每个非根网桥选取唯一一个根端口：根网桥上没有根端口；端口代价最小的成为根端口；端口代价相同，Port ID最小端口的成为端口；Port ID通常为端口的MAC地址；MAC 地址最小的端口成为根端口；(3) 在每网段选取唯一一个标志端口：端口代价最小的成为标识端口；根网桥端口到各网段的代价最小；通常只有根网桥端口成为标识端口；被选定为根端口和标识端口的进行转发状态；落选端口进入阻塞状态，只侦听BPDU；(4) 阻塞端口在指定的时间间隔（缺省20秒）收不到BPDU时，会重新运行生成树算法进行选举；缺点：在运行生成树算法的过程中，网络处理阻断状态，所有端口都不进行转发。
计算过程缺省为50秒。
根端口是到根桥开销最低的端口，所谓的根端口即用来向根桥发送数据的端口。
交换网络里根端口和指定端口以外称为非指定端口，非指定端口在网络里面被生成树协议设为阻塞状态。
每个交换机只能有一个根端口，一个物理网段只能有一个指定端口，一个交换网络里面只能有一个根交换机。
《生成树协议》课件
目 录
• 生成树协议概述 • 生成树协议的种类 • 生成树协议的应用场景 • 生成树协议的配置 • 生成树协议的性能优化 • 生成树协议的发展趋势
01
生成树协议概述
生成树协议的定义
生成树协议
一种用于在局域网中消除环路的 路由协议。
定义补充
生成树协议通过禁用某些网络路 径来避免环路，从而防止广播风 暴，并确保网络中的所有设备都 能以高效的方式通信。
生成树协议的未来挑战与机遇
挑战
随着网络规模的扩大和复杂性的增加，生成树协议面临更多的挑战，如算法的 复杂度、网络的动态变化等。
机遇
生成树协议在网络领域具有广泛的应用前景，未来将有更多的应用场景需要用 到生成树协议，如5G、6G通信网络、工业互联网等。同时，随着技术的不断发 展，生成树协议也将迎来更多的发展机遇。
使用命令“set port path cost 0/0/1 20000”将端口 0/0/1的路径开销设置为20000。
设置端口优先级值
使用命令“set port priority 0/0/1 4096”将端口0/0/1 的优先级值设置为4096。
启用生成树协议
使用命令“enable spanning-tree”启用生成树协议。
广域网
在广域网中，生成树协议主要用于优化网络的拓扑结构，提高网络的可 靠性和稳定性。
广域网中的生成树协议可以避免环路问题，减少广播风暴的发生，提高 网络的性能和可靠性。
生成树协议还可以帮助广域网管理员实现快速的网络故障定位和恢复， 提高网络的可用性和可靠性。
04
生成树协议的配置
生成树协议的配置步骤
全性，保障网络的稳定和安全。
生成树协议的新技术应用
《生成树协议 》课件
生成树协议的优点
1 提高性能
生成树协议通过减少冗余数据的传输，提高了网络的带宽利用效率，进而提高了性能。
2 提高可靠性
生成树协议确保数据只在需要的路径上传输，减少了丢包和数据错误的可能性，提高了 网络的可靠性。
3 简化管理
生成树协议自动构建和维护广播树，减少了人工干预，简化了网络管理的工作。
生成树协议 PPT课件
欢迎来到《生成树协议》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨生成树协 议的概念、作用、分类、优点、工作原理、实际应用以及总结。让我们开始 这个精彩的旅程吧！
生成树协议是什么？
生成树协议是一种用于网络环境中的通信协议，它的主要目的是在网络中建立一颗无环的广播树结构。这样可 以有效地减少冗余数据的传输，提高网络性能。
生成树协议的工作原理
网络拓扑
生成树协议根据网络拓扑构建一 颗无环的广播树，确保数据按照 最短路径传输。
树的构建
生成树协议使用分布式算法，在 网络中选择一个根节点，并逐步 建立广播树的连接。
数据传输
生成树协议确保数据只在广播树 上的有效路径上传输，减少冗余 和带宽浪费。
生成树协议的实际应用
1
数据中心
2
(RSTP)
RSTP是STP的改进版，它具有更快的收
敛时间和更好的网络恢复能力。
3
Spanning Tree Protocol (STP)
STP是最早使用的生成树协议，它使用 分布式算法在网络中选择一个根节点， 并通过端口状态的变化来构建广播树。
Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)
2
生成树协议详解
⽣成树协议详解⽣成树协议详解⽣成树协议是由Sun微系统公司著名⼯程师拉迪亚?珀尔曼博⼠(Radia Perlman)发明的。
⽹桥使⽤珀尔曼博⼠发明的这种⽅法能够达到2层路由的理想境界:冗余和⽆环路运⾏。
你可以把⽣成树协议设想为⼀个各⽹桥设备记在⼼⾥的⽤于进⾏优化和容错发送数据的过程的树型结构。
我们要介绍的这个问题在图1中进⾏了描述。
图1.如果这些交换机不采⽤⽣成树协议并且以这种⽅式连接，每⼀台交换机将⽆限地复制它们收到的第⼀个数据包，直到内存耗尽和系统崩溃为⽌。
在2层，没有任何东西能够阻⽌这种环路的事情发⽣。
在图1中，管理员必须要⼿⼯关闭这个红⾊连接线路才能让这个以太⽹⽹络运⾏。
⽣成树协议在当前可⽤连接有效时关闭⼀个或者更多其它冗余连接，⽽在当前连接出现故障后，再启⽤这些被关闭的冗余连接。
⽣成树协议决定使⽤哪⼀个连接完全取决于⽹络的拓扑结构。
⽣成树协议拓扑结构的思路是，⽹桥能够⾃动发现⼀个没有环路的拓扑结构的⼦⽹，也就是⼀个⽣成树。
⽣成树协议还能够确定有⾜够的连接通向这个⽹络的每⼀个部分。
它将建⽴整个局域⽹的⽣成树。
当⾸次连接⽹桥或者发⽣拓扑结构变化时，⽹桥都将进⾏⽣成树拓扑的重新计算。
当⼀个⽹桥收到某种类型的“设置信息”(⼀种特殊类型的桥接协议数据单元，BPDU)时，⽹桥就开始从头实施⽣成树算法。
这种算法从根⽹桥的选择开始的。
根⽹桥(root bridge)是整个拓扑结构的核⼼，所有的数据实际上都要通过根⽹桥。
顺便提⽰⼀下，有⼿⼯设置根⽹桥时要特别注意。
对于思科设备来⾔其根⽹桥的选择过程暴露出⼀些问题，就是过分简单化。
思科硬件通常使⽤最低的MAC地址，具备这些地址的设备通常是⽹络中最古⽼的设备，因⽽其交换速度常是最慢的，⽽从根⽹桥在⽹络中的位置看，它负荷却最重。
⽣成树构建的下⼀步是让每⼀个⽹桥决定通向根桥的最短路径，这样，各⽹桥就可以知道如何到达这个“中⼼”。
这⼀步会在每个局域⽹进⾏，它选择指定的⽹桥，或者与根桥最接近的⽹桥。
《生成树协议》课件
生成树协议的作用和意义
生成树协议的作用在于提高网络的可靠性和稳定性，确保通信路径的高效和可用性，从而提升整个网络 的性能。
生成树协议的实现原理
1
BPDU交换
通过交换生成树协议的帧（BPDU）来协商网络中的节点，确定主干路径和边缘 节点。
2
冲突检测和环路排除
使用树算法和冗余信息，检测和排除可能导致环路的冲突和链路。
《生成树协议》PPT课件
欢迎来到《生成树协议》PPT课件，本课程将带您深入了解生成树协议的重 要性和应用，探索其实现原理以及未来的发展。
生成树协议的介绍
生成树协议是网络通信中一种关键的路由协议，用于构建具有自主冗余和高效环路排除的网络体系结构。
生成树协议的定义
生成树协议是一种动态路由协议，通过自动选择网络中的主干路径，实现冗余拓扑的优化和环路的排除。
3
自动调整和更新
根据网络变化实时更新生成树，确常见应用场景
企业局域网
用于构建稳定和可靠的企业局域网，保障内部通信的迅速和可用性。
数据中心网络
在大规模数据中心中，确保数据传输的高效和稳定，减少影响整体服务的故障。
智能交通系统
优化道路和交通信号的架构，确保交通流量的高效控制和智能化管理。
生成树协议的优缺点
1 优点
提高网络的可用性和性能，减少网络中断和故障的影响。
2 缺点
占用网络带宽和资源，需要一定的配置和调优才能发挥最佳效果。
生成树协议的未来发展展望
未来，生成树协议将更加智能化和自适应，结合机器学习和人工智能技术，实现更高效和弹性的网络架 构。
生成树协议简介
⽣成树协议简介⽣成树协议是⼀种⼆层管理协议，它通过有选择地阻塞⽹络冗余链路来达到消除⽹络⼆层环路地⽬的，同时具备链路地备份功能。
由于⽣成树协议本⾝⽐较⼩，所以并不像路由协议那样⼴为⼈知。
但是它却掌管着端⼝的转发⼤全。
特别是和别的协议⼀起运⾏的时候，⽣成树协议就有可能阻断其他协议地报⽂通路，造成种种地奇怪现象。
⽣成树协议和其它协议⼀样，时随着⽹络的发展⽽不断更新换代的。
在⽣成树协议发展过程中，⽼的缺陷不断被克服，新的特性不断被开发出来。
按照⼤功能地改进情况，我们可以粗略地把⽣成树协议地发展过程划分为三代。
第⼀代⽣成树协议：STP/RSTP在⽹络发展初期，透明⽹桥时⼀个重要⾓⾊。
它⽐只会放⼤和⼴播信号地集线器（Hub）拥有更多的功能，它会悄悄地把发向它地数据帧地源MAC地址和端⼝号记录下来，下次碰到这个MAC地址作为⽬的MAC地址的报⽂就从记录中的端⼝号发送出去，如果⽬的MAC地址没有记录在案或者⽬的MAC地址本⾝就是多播地址才向所有端⼝发送.通过透明⽹桥，不同的局域⽹之间可以实现互通，⽹络可操作的范围得以扩⼤，⽽且由于透明⽹桥具备MAC地址学习功能⽽不会像Hub那样造成⽹络报⽂冲突。
但是，透明⽹桥也有它的缺陷，它的缺陷就在于它的透明传输。
透明⽹桥并不能像路由器那样知道报⽂可以经过多少次转发，⼀旦⽹络存在环路就会造成报⽂在环路内不断循环和增⽣，甚⾄造成恐怖的“⼴播风暴”。
在这种情况下，⽹络将变得不可⽤，⽽且在⼤型⽹络中故障不好定位。
为了解决这个问题⽽提出了STP(Spanning Tree Protocol)，其中以IEEE的802.1D版本最为流⾏。
图1 ⽣成树⼯作⽰意图⽣成树时图论中的术语，对于⼀个拥有n个节点的⽆向图，从中选取n-1条边，使得从n个节点中的任意⼀个经由这n-1条边都能到达另外⼀个任意的节点，这这n个点和n-1条边的集合就是这个图的⼀颗⽣成树。
STP协议中定义了根桥(Root Bridge)、根端⼝(Root Port)、指定端⼝(Designated Port)、路径开销(Path Cost)等概念，⽬的就在于通过构造⼀棵⾃然树的⽅法达到裁剪冗余环路的⽬的，同时实现链路备份和路径最优化。
简述生成树协议的工作过程
简述生成树协议的工作过程一、引言生成树协议是网络中的一种重要协议，它能够有效地避免网络中的环路问题，保证数据在网络中的正常传输。
本文将详细介绍生成树协议的工作过程。
二、生成树协议概述生成树协议是一种链路层协议，用于解决交换机之间的环路问题。
它通过计算生成一棵覆盖整个网络的最小成本树，从而使得数据在网络中只有唯一路径传输，避免了环路问题。
三、生成树协议工作原理1. 建立拓扑结构在生成树协议中，首先需要建立整个网络的拓扑结构。
交换机之间通过链路相连，形成一个网状结构。
为了方便计算最小成本树，需要给每条链路赋予一个权值。
2. 选举根交换机为了确定整棵最小成本树的结构，需要选举出一个交换机作为根节点。
通常情况下，选举规则是选择MAC地址最小的交换机作为根节点。
3. 计算最小成本树选举出根节点后，各个交换机开始计算到达根节点的最短路径，并选择其中代价最小的路径作为自己到根节点的路径。
这个过程称为生成树计算。
4. 剪枝在计算出最小成本树之后，可能会出现一些冗余链路。
为了避免这些链路造成环路问题，需要进行剪枝操作。
具体来说，就是在最小成本树中选择一些边，将它们从图中删除，从而形成一棵无环的生成树。
5. 维护生成树在网络运行过程中，可能会出现链路断开、交换机故障等情况。
如果不及时处理这些问题，可能会导致整个网络瘫痪。
因此，在生成树协议中需要实时监测网络状态，并对发生变化的情况进行处理，以保证整个网络的正常运行。
四、生成树协议的优缺点1. 优点（1）避免环路问题：通过计算最小成本树并剪枝操作，能够有效地避免网络中出现环路问题。
（2）提高网络性能：通过保证数据只有唯一路径传输，能够提高网络传输效率。
（3）简单易用：生成树协议实现简单、易于配置和维护。
2. 缺点（1）容易造成链路拥塞：由于所有数据只能通过一条路径传输，可能会导致某些链路拥塞，从而影响网络性能。
（2）不适用于大型网络：在大型网络中，生成树协议的计算量过大，可能会导致网络延迟增加。
生成树协议
生成树协议是一种二层管理协议，它通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络二层环路的目的，同时具备链路的备份功能。
生成树协议和其他协议一样，是随着网络的不断发展而不断更新换代的。
“生成树协议”是一个广义的概念，并不是特指IEEE 802.1D中定义的STP协议，而是包括STP以及各种在STP基础上经过改进了的生成树协议。
STP/RSTP在网络发展初期，透明网桥的运用。
它比只会放大和广播信号的集线器聪明得多。
它的学习能力是把发向它的数据帧的源MAC地址和端口号记录下来，下次碰到这个目的MAC 地址的报文就只从记录中的端口号发送出去，除非目的MAC地址没有记录在案或者目的M AC地址本身就是多播地址才会向所有端口发送。
通过透明网桥，不同的局域网之间可以实现互通，网络可操作的范围得以扩大，而且由于透明网桥具备MAC地址学习功能而不会像Hub那样造成网络报文冲撞泛滥。
透明网桥也有它的缺陷，它的缺陷就在于它的透明传输。
透明网桥并不能像路由器那样知道报文可以经过多少次转发，一旦网络存在环路就会造成报文在环路内不断循环和增生，出现广播风暴。
根桥和根端口都确定之后然后是裁剪冗余的环路。
这个工作是通过阻塞非根桥上相应端口来实现的。
生成树经过一段时间（默认值是30秒左右）稳定之后，所有端口要么进入转发状态，要么进入阻塞状态。
STPBPDU仍然会定时从各个网桥的指定端口发出，以维护链路的状态。
如果网络拓扑发生变化，生成树就会重新计算，端口状态也会随之改变。
当然生成树协议还有很多内容，其他各种改进型的生成树协议都是以此为基础的，基本思想和概念都大同小异。
STP协议给透明网桥带来了新生。
但是它还是有缺点的，STP协议的缺陷主要表现在收敛速度上。
当拓扑发生变化，新的配置消息要经过一定的时延才能传播到整个网络，这个时延称为For ward Delay，协议默认值是15秒。
在所有网桥收到这个变化的消息之前，若旧拓扑结构中处于转发的端口还没有发现自己应该在新的拓扑中停止转发，则可能存在临时环路。
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• 正常情况下，端口处于转发状态或阻塞状 态之一。处于转发状态的端口到根网桥的 路径成本最低。 • 网络连接发生变化导致转发状态的端口不 可用时，处于阻塞状态的端口将依次进入 侦听和学习状态，最后进入转发状态。
• 生成树路径成本是路径中所有链路的带宽 得到的累积成本。每个交换机端口都有一 个根路径花费，根路径花费是该交换机到 根交换机所经过的各个网段的路径花费的 总和。
• 根网桥与根端口的选取原则: 网桥中优先级ID的值最小的交换机被选为根交换 机，如果两个交换机具有相同的优先级，让较小 MAC地址的交换机成为根交换机。 一台交换机中根路径花费的值为最低的端口被选 为根端口，如果有多个端口具有相同的根路径花 费，则具有最高优先级的端口为根端口。
• 生成树端口状态有四种 : ①阻塞（Blocking）。不转发帧，监听网桥协议数据单元 BPDU。当交换机启动后，所有端口在默认状态下处于阻 塞状态。 ②侦听（Listening）。查看、发送和接收BPDU，以确定最 佳网络连接，确保在传送数据帧之前网络上没有回路。 ③学习（Learning）。学习MAC地址，建立过滤表，但不 转发数据帧。这种状态表明端口正为传输做准备，它获悉 网段上的地址，以防止形成不必要的广播。 ④转发（Forwarding）。能在端口上发送和接收数据。
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修改端口成本
• spanning-tree vlan vlan-id cost cost （修改端口成本） • no spanning-tree vlan vlan-id cost （恢 复默认成本） • show spanning-tree interface interface-id detail （查看配置）
选举指定端口
• 根网桥上所有的端口都是指定端口。非根 网桥上指定端口，生成树算法依靠BID、路 径开销、端口ID而运作。 STP执行下列判决顺序：
• 确定根交换机； • 计算到根交换机的最小路径开销； • 确定最小的发送者BID； • 确定最小的端口ID。
• 注意： 每一个网络只能有一个根桥，每个非根网桥 只能有一个根端口，每段只能有一个指派 端口，只要做这三件事就能确定哪个是阻 塞端口。 根网桥是以BID判断，BID越小就为根桥， 非根网桥的根端口是以path cost判断。
课堂实践
根据要求完成选举根端口操作：
• switch1的端口1使用100M以太网连接switch2的端口1； • switch1的端口2使用100M以太网连接switch3的端口1； • switch2的端口2使用100M以太网连接switch3的端口2
课外拓展：如何选取根网桥
课堂实践
• 阻塞状态(blocking) 、侦听状态(listening) 、 学习状态(learning) 、转发状态 (forwarding) 、禁止状态(disabled) 的区别
阻塞状态 侦听状态 学习状态 转发状态 禁止状态 不转发数据帧，接收BPDU。侦听BPDU以决定是否进去侦听状态 不转发数据帧，侦听BPDU。侦听BPDU以完成选举根网桥，非根网 桥上的根端口和各网段上的指定端口的工作 不转发数据帧，学习地址，学习状态是正在建立MAC表 转发数据帧，学习地址，交换机的正常工作状态。 不转发数据帧，不接收BPDU
• 生成树协议使用生成树算法，在一个具有冗余路径的容错 网络中计算出一个无环路的路径，使一部分端口处于转发 状态，而一部分端口处于阻塞状态（备用状态），从而生 成一个稳定的、无环路的生成树网络拓扑。
• 若发现当前路径故障，生成树协议能立即激活相应的端口， 打开备用链路，重新生成生成树的网络拓扑，以保持网络 的正常工作。
路径成本
• 生成树路径成本是路 径上所有链路的带宽 的总路径成本累积值。
不同连网技术的路径成本 带宽 4 Mbit/s 10 Mbit/s 16 Mbit/s STP成本 250 100 62
45 Mbit/s
100 Mbit/s 155 Mbit/s 622 Mbit/s 1 Gbit/s 10 Gbit/s
• 连接在被阻塞端口的链路成为冗余链路。 • 当交换机在状态转换时，不转发任何数据 帧。当所有的交换机都确定有相同的数据 库时，就表示算法已经收敛了，相应的端 口开始转发数据。
人为建立根网桥
• 不要将接入层的交换机配置为根网桥。 STP根网桥通常是汇聚层或者核心层的交 换机。 • 通过命令直接建立根网桥： spanning-tree vlan vlan-id root primary （网桥优先级被置为24576）
• switch＃config terminal • switch（config）#spanning-tree vlan vlan-id root primary dianmeter net-diameter hellotime sec （为VLAN配置根网桥、网络半径以及HELLO间隔）
• ROOT关键字：指定这台交换机为根网桥 • diameter net-dianmeter：该关键字指定在末端口主机任意两点之 间的网段的最大数量。net-diameter的值是2－7.这个直径应该从根 网桥开始计算，根网桥是1
• 修改网桥的优先级别 spanning-tree vlan vlan-id root primary （主 ROOT网桥优先级被置为24576） spanning-tree vlan vlan-id root secondary（备 份ROOT网桥优先级被置为28672） 修改网桥优先级： spanning-tree vlan vlan-id priority bridgepriority
第13讲 生成树协议(1)
• 若网络中出现 了环路时，计 算机间的通信 会出现什么现 象？如何避免 环路的出现？
计算机X
交换机A ID:000001
路由器Y
网段1 4 D 交换机B ID:000010 D D 19 D
网段2
交换机C ID:000100 X
网段3
知识目标
• 掌握STP的定义、工作原理 • 掌握选取根网桥的方法和人为建立根网桥 的配置 • 掌握STP端口的状态转换 • 掌握选举指定端口与路径成本
STP端口状态的转换过程
• 一个阻塞状态的端口如果20秒未收到 BPDU，则进入侦听状态 • 15秒之后(最大时间)，如果端口在选举完成 后依然保持为指定端口或根端口，则进入 学习状态，否则进入阻塞状态 • 学习状态的端口可以用它侦听到的MAC地 址来构成自己的MAC表，学习15秒后，端 口进入转发状态
• 生成树协议的优点：网络既保证了不出现环路又具有容错 能力。
生成树协议的工作原理
计算机X 交换机A ID:000001 路由器Y
网段1 4 D 交换机B ID:000010 D D 19 D
网段2
交换机C ID:000100 X
网段3
生成树要求给每台网桥分配一个唯一的标识符，即网桥ID。网桥ID由2字节优先 级和网桥6字节的MAC地址组成。
技能目标
• 能理解STP的定义及工作原理 • 能完成根网桥的选取 • 理解STP端口状态的转换过程
态度目标
• 培养学生自主学习能力和知识应用能力 • 培养学生勤于思考、认真做事的良好作风 • 培养学生独立工作的能力，树立自信心
生成树协议的概念
• 生成树协议（STP，Spanning Tree Protocol）是DEC开发的一种网桥到网桥 （bridge-to-bridge）协议。后来IEEE 802委员会对DEC的生成树算法进行了修订， 并将修订结果以IEEE 802.1D规范的方式 予以发布。DEC算法和IEEE 802.1D算法 并不相同。
确定到根网桥的路径
生成树协议依次用BPDUபைடு நூலகம்这些不同域来确 定根网桥的最佳路径： • 根路径成本（ROOT PATH COST） • 发送网桥ID（BRIDGE ID） • 发送端口ID（PORT ID）
• 从端口发出BPDU时，它会被施加一个端口成本， 所有端口成本的总和就是根路径成本。 • 生成树首先查看根路径成本，报告最低路径成本 的端口被选为转发端口。 • 若根路径成本相同，则报告有最低网桥ID的 BPDU端口被允许进行转发。 • 如果路径成本和发送网桥ID都相同（如在平行链 路中），则端口ID值小的将作为转发端口。