2层交换和生成树协议
生成树协议原理
生成树协议原理
生成树协议是一种基于链路层的协议，它通常在以太网交换机上实现，用于管理以太网局域网中的网络拓扑。生成树协议的工作原理是通过使用一个根桥（Root Bridge）和多个非根桥（Non-Root Bridge）来建立一颗树状结构，以确保网络中没有环路存在。
生成树协议的核心算法是通过一种称为生成树算法（Spanning Tree Algorithm）来找到从根桥到每个非根桥的最短路径，从而构建一颗最小生成树。最小生成树是一种能够连接所有节点并且没有环路的树状结构，它是生成树协议的基础，用于确定网络中数据包的传输路径。
生成树协议的工作流程包括以下几个关键步骤：
1. 选择根桥：在网络中通过比较桥（Bridge）的优先级和MAC地址来确定根桥，根桥是生成树中的根节点，所有数据包都将通过根桥进行转发。
2. 计算生成树：每个非根桥通过生成树算法计算到根桥的最短路径，确定自己在生成树中的位置，并将该信息传播到整个网络中。
3. 确定端口状态：每个桥根据生成树信息确定哪些端口可以用于数据包的传输，哪些端口需要阻断以避免环路的产生。
4. 更新生成树：在网络拓扑发生变化时，生成树协议会重新计算生成树，并更新每个桥的状态，重新确定最佳路径。
5. 数据包转发：根据生成树确定的路径，数据包会被从源地址传输到目的地址，通过生成树结构保证数据包的正常传输。
生成树协议的优点是可以有效避免数据包在网络中的循环传输，提升网络通信的稳定性和可靠性。生成树协议能够自动适应网络拓扑的变化，快速重新计算生成树，并重新确定最佳传输路径，从而保证网络快速恢复到正常状态。
然而，生成树协议也存在一些局限性。生成树协议在网络中设置大量的桥和端口时，会造成网络拓扑复杂，生成树的计算和更新会消耗大量的网络资源。此外，生成树协议需要在所有交换机上进行配置和管理，当网络规模较大时，配置和管理网络可能会变得困难。
为了解决生成树协议的一些局限性，IEEE制定了一系列的生成树协议标准，包括802.1D、802.1w和802.1s等。这些标准对生成树协议进行了改进和优化，提高了网络的可靠性和性能。例如，802.1w标准引入了快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP），可以快速收敛生成树，降低网络的传输延迟。
描述生成树协议的主要功能
描述生成树协议的主要功能
生成树协议是一种用于实现有序和可靠的网络交换的协议。它的主要功能有：
（1）维护所有节点间的链路状态：生成树协议可以用来处理网络中的路由信息，报告节点之间的链路状态，并根据链路信息构建有效的路由表。
（2）提供识别冲突的机制：生成树协议提供了一种方法，可以在节点之间识别和解决信息传输冲突的问题。
（3）节点发现：生成树协议可以帮助节点识别网络中存在的其他节点，以便在网络中可以正确的进行信息传输。
（4）提供层次化的网络拓扑：网络拓扑分为高阶和低阶，使用生成树协议可以把网络拓扑转换成层次化的拓扑，从而提高网络效率。
（5）高效的网络管理：在一个网络中，可以使用生成树协议来实现高效的网络管理，能够保证在网络中传输的数据准确无误。
STP生成树原理和配置
STP生成树原理和配置
STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写。该协议可应用于环路网络，通过一定的算法实现路径冗余，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。 STP的基本原理是，通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文（在IEEE 802.1D中这种协议报文被称为“配置消息”）来确定网络的拓扑结构。配置消息中包含了足够的信息来保证交换机完成生成树计算。
生成树协议STP/RSTP
1. 技术原理：
STP的基本思想就是生成“一棵树”，树的根是一个称为根桥的交换机，根据设置不同，不同的交换机会被选为根桥，但任意时刻只能有一个根桥。由根桥开始，逐级形成一棵树，根桥定时发送配置报文，非根桥接收配置报文并转发，如果某台交换机能够从两个以上的端口接收到配置报文，则说明从该交换机到根有不止一条路径，便构成了循环回路，此时交换机根据端口的配置选出一个端口并把其他的端口阻塞，消除循环。当某个端口长时间不能接收到配置报文的时候，交换机认为端口的配置超时，网络拓扑可能已经改变，此时重新计算网络拓扑，重新生成一棵树。 2. 功能介绍：
生成树协议最主要的应用是为了避免局域网中的网络环回，解决成环以太网网络的“广播风暴”问题，从某种意义上说是一种网络保护技术，可以消除由于失误或者意外带来的循环连接。STP也提供了为网络提供备份连接的可能，可与SDH保护配合构成以太环网的双重保护。新型以太单板支持符合ITU-T 802.1d标准的生成树协议STP及802.1w规定的快速生成树协议RSTP，收敛速度可达到1s。
但是，由于协议机制本身的局限，STP保护速度慢（即使是1s的收敛速度也无法满足电信级的要求），如果在城域网内部运用STP技术，用户网络的动荡会引起运营商网络的动荡。目前在MSTP 组成环网中，由于SDH保护倒换时间比STP协议收敛时间快的多，系统采用依然是SDH MS-SPRING或SNCP，一般倒换时间在50ms以内。但测试时部分以太网业务的倒换时间为0或小于几个毫秒，原因是内部具有较大缓存。SDH保护倒换动作对MAC层是不可见的。这两个层次的保护可以协调工作，设置一定的“拖延时间”（hold-off），一般不会出现多次倒换问题。
STP协议
STP协议简介与实例分析
（简介内容为引用自网络博客）
STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写，是OSI网络互联模型中的第二层（Date Link Layer）中的协议。
STP是基于什么需要所开发的协议：
一个优秀的网络工程师，冗余的思想是尤为重要的，因此在做某些网络互联的项目时，会使用多个交换机Switch进行保障通信，避免单点故障。可是如果几个 交换机同时作用时，难免会发生一些问题：1，广播风暴。一个PC或者Host Server 发送一个广播broadcast，从而使形成环路的交换机不停的泛洪（由于交换机是二层设备，没有网络层封装帧的TTL数，所以这种广播风暴更为严重）， 直到网络堵塞。2，帧的多重复制。由于多台Switch转发数据，可以使目标路由器接收到几个相同的帧，这在三层路由的一些协议中，会出现故障。
3，MAC地址表不稳定。由于交换机中MAC表中，一个端口可对应多个MAC地址，而一个MAC无法对应多个端口。然而在多个Switch同时作用环路 时，难免会造成MAC表学习重复，使MAC地址对应的端口不断被覆盖，造成MAC地址表不稳定。
基于以上问题，开发出来了STP生成树协议，该协议可应用于环路网络，通过一定的算法实现路径冗余，同时将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。
生成树协议STP/RSTP
一. 技术原理：
STP的基本思想就是生成“一棵树”，树的根是一个称为根桥的交换机，根据设置不同，不同的交换机会被选为根桥，但任意时刻只能有一个根桥。由根桥开 始，逐级形成一棵树，根桥定时发送配置报文，非根桥接收配置报文并转发，如果某台交换机能够从两个以上的端口接收到配置报文，则说明从该交换机到根有不止 一条路径，便构成了循环回路，此时交换机根据端口的配置选出一个端口并把其他的端口阻塞，消除循环。当某个端口长时间不能接收到配置报文的时候，交换机认 为端口的配置超时，网络拓扑可能已经改变，此时重新计算网络拓扑，重新生成一棵树。
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。
第七章 二层协议标准
第八章 二层协议标准
——生成树，组播协议与链路聚合
目标：
了解STP协议的产生背景和处理流程。
了解STP的使用方法。
了解组播协议标准，了解IGMP护理流程及使用场合。
了解链路聚合的作用及实现方式。
一、生成树协议
1、 网桥循环和网桥循环和生成树协议
如果在网间网的任何两个LAN之间存在多条网桥路径或LAN路径，网桥就会失效，因为网间网中并没有提供网桥对网桥协议，如下图所示：
主机 A网桥A网桥B主机 B
ͼ1 网桥循环示意图
在上图中，假定主机A向主机B发送一个数据包，两个网桥同时接收到这个数据包，并且都正确地知道主机A位于网络2中。但是不幸的是，在主机B同时收到两份一样的主机A的数据包后，两个网桥又一次从它们对网络1的端口上接收到数据包，因为在广播级LAN中所有的主机接收所有的消息。
在这种情况下，二层交换将改变各自的路由表以指明主机A在网络1中，如果这样的话，当主机B向主机A发送数据包时，两个网桥接收到此数据包后，又会将其丢弃，因为它们的路由表中指明主机A位于网络1中，而实际上主机A位于网络2中。这样主机A将永远收不到网络1上主机发给它的数据。
除了类似于上面所描述的基本连接问题之外，广播级消息在具有循环的网络中传递可能会导致更为严重的网络问题。如图11的循环连接，假定主机A的初始数据包是一个广播级数据包，两个网桥将会无休止地转发这个数据包，这样会占用所有可能获取的网络带宽，导致网络阻塞。
具有循环连接的网络拓扑结构可能是有用的，如用户为保证两个网段不会因为一条路径失效而中断，特意在这两个网段间搭建多条路径，这样可以提高网络拓扑结构上的灵活性，从而提高了这个网络的容错能力。当然，网间网中的多重路径也可能是用户无意识配置造成的。
为解决网络间存在的回路问题，提出了生成树算法。
2、 生成树算法
生成树算法（Spanning Tree Algorithm）最初是由DEC公司开发成功的，其主要目标是提高网络循环连接的可用性，同时消除网络循环连接带来的破坏性。DEC的生成树算法后来由IEEE 802进行了一定的修改，发表在IEEE 802.1d协议说明中。DEC的生成树算法与IEEE 802.1d算法并不相同，而且它们也互不兼容。
二层交换机功能
二层交换机功能
二层交换机主要用于局域网中数据帧的转发。它是一种光纤交换机，使用物理地址进行数据帧的发送和接收。以下是二层交换机的主要功能：
1. MAC地址学习：二层交换机通过监听接收到的数据帧，学习源MAC地址和它所连接的接口。这样，交换机就能够建立一个MAC地址表，存储着每个MAC地址对应的接口。
2. 数据帧转发：当收到一个数据帧时，二层交换机会检查数据帧的目的MAC地址，并在MAC地址表中查找对应的接口。然后，交换机会将数据帧转发到该接口，从而实现快速的数据传输。
3. 广播和组播：当交换机收到一个广播或组播帧时，它会将该帧转发到所有的接口（除了来源接口）。这样，所有与交换机相连的设备都能接收到广播或组播消息。
4. 冲突域隔离：二层交换机将每个端口划分为一个独立的冲突域。这意味着每个设备能够独立发送和接收数据帧，而不会与其他设备的数据帧产生冲突。
5. VLAN划分：二层交换机可以将局域网划分为多个虚拟局域网（VLAN），实现不同VLAN之间的数据隔离。这种划分可以提高网络的安全性和可管理性。
6. 端口安全：二层交换机可以配置端口安全功能，限制连接到每个接口的设备数量，防止非法设备的接入。
7. 冗余备份：交换机可以使用冗余链路进行备份，实现网络的高可用性。当一条链路故障时，备份链路会自动接管数据传输。
8. 优先级划分：二层交换机可以对数据帧进行优先级划分，保证重要数据的传输质量和延迟要求。
9. 环路检测：二层交换机可以通过使用生成树协议（如STP）来检测和消除网络中的环路，避免数据帧在网络中无限循环。
10. 管理和监控：交换机提供了管理接口和监控工具，可以对交换机进行配置和监视。管理员可以通过这些接口了解网络状态，并对交换机进行故障排查和性能优化。
总之，二层交换机在局域网中起到了至关重要的作用，通过学习和转发数据帧，实现了高速、可靠的数据传输。它的功能多样化，能够提供灵活的配置和管理方式，满足不同网络环境的需求。
实验一 配置RSTP1
实验5 配置RSTP
基础知识： 生成树协议（spanning-tree）作用是在交换网络中提供冗余备份链路，并且解决交换网
络中的环路问题。
生成树协议是利用SPA算法（生成树算法），在存在交换环路的网络中生成一个没有环
路的树形网络。运用该算法将交换网络冗余的备份链路逻辑上断开，当主要链路出现故障时，
能够自动地切换到备份链路，保证数据的正常转发。
生成树协议的特点是收敛时间长。从主要链路出现故障到切换到备份链路需要50秒的时
间。
快速生成树协议（RSTP）在生成树协议的基础上增加了两种端口角色：替换端口
（Alternate Port）和备份端口（Backup Port），分别作为根端口（Root Port）和指定端口
（Designated Port）的冗余端口。当根端口或指定端口出现故障时，冗余端口不需要经过50
秒的收敛时间，可以直接切换到替换端口或备份端口。从而实现RSTP协议小于1秒的快速收
敛。
实验目的： 理解快速生成树协议RSTP的配置及原理。
实验器材：
（1） 二层交换机 2台
（2） 计算机 2台
（3） 双绞线
实验器材简介： 本实验采用的是锐捷的二层交换机S2126G，支持RSTP的功能。
实验方法步骤：
（1） 将主机和交换机以及交换机与交换机对应的端口按拓扑图连接起来
（2） 配置PC1和PC2的IP地址，让“PC1 ping PC2 –t”观察交换机的工作状态，
了解广播风暴的形成
（3） 在两台交换机中都启用生成树协议
（4） 验证配置，观察根交换机及根端口
示范案例： 某学校为了开展计算机教学和网络办公，建立了一个计算机教室和一个校办公区，这两
处的计算机网络通过两台交换机互联组成内部校园网，为了提高网络的可靠性，网络管理员
用两条链路将交换机互联，现要在交换机上做适当配置，使网络避免环路。利用STP解决网
络环路的问题时，在网络收敛时需要花费大概30~50秒的时间，在很多大型网络中，这个时
描述生成树协议的主要功能 2
描述生成树协议的主要功能
生成树协议是一种网络协议，用于在交换机网络中选择一条主干链路，避免环路出现。它的主要功能有：
1. 选举根桥：生成树协议通过选举一个根桥来协调整个网络。选举根桥的方式是比较所有交换机的优先级，优先级最低的交换机将被选为根桥。
2. 建立拓扑结构：生成树协议通过与相邻交换机的通信来建立网络的拓扑结构。每个交换机都会向其相邻的交换机发送BPDU（Bridge Protocol Data Units）信息，这些信息包含了交换机的优先级、MAC地址等。
3. 计算路径：生成树协议通过计算到达根桥的路径来确定网络中的主干链路和备用链路。每个交换机都会依据收到的BPDU信息计算到达根桥的路径，并将其中的最短路径作为主干链路，其他路径则作为备用链路。
4. 维护主干链路：生成树协议会监测网络中的链路状态，一旦发现主干链路中某个链路失效，就会重新计算路径并选择一条新的主干链路。在此过程中，备用链路也会得到使用，以保证网络的连通性。
总之，生成树协议的主要功能是建立交换机网络的拓扑结构，并选择一条主干链路和备用链路，以避免环路出现，保证网络的稳定和高效运行。
华为生成树协议原理
华为生成树协议原理
华为生成树协议（Huawei Spanning Tree Protocol，HSTP）是华为公司研发的一种用于构建网络拓扑结构的协议。该协议通过在网络中建立一棵生成树，实现网络的高可用性和可靠性。本文将介绍华为生成树协议的原理及其在网络中的应用。
一、生成树协议的背景和意义
在大型企业或机构的网络中，通常会有多个交换机连接在一起，形成一个复杂的网络拓扑结构。这样的网络结构可能存在环路，当发生链路故障时，数据包可能会在环路中不断循环，导致网络拥塞和性能下降。为了解决这个问题，生成树协议被提出。
生成树协议可以通过在网络中选择一个主干路径，将其他冗余路径进行屏蔽，从而消除环路，保证数据在网络中的正常传输。当网络中的某条链路发生故障时，生成树协议可以自动调整网络拓扑，选择新的主干路径，实现网络的快速恢复。
二、华为生成树协议的工作原理
华为生成树协议主要由以下几个步骤组成：
1. 建立拓扑结构：在网络中，每个交换机都会发送生成树协议的消息，用于发现相邻交换机并建立拓扑结构。交换机会根据收到的消息，计算出生成树中的根节点和各个交换机的距离。
2. 选择根交换机：每个交换机会根据收到的消息，选择距离最近的交换机作为根交换机。根交换机的选择是通过比较交换机之间的优先级和MAC地址来确定的。
3. 计算最短路径：根交换机会向其他交换机发送最短路径消息，其他交换机会根据收到的消息，计算到根交换机的最短路径。交换机会记录下到根交换机的路径和距离，并将消息继续传递给其他交换机。
4. 构建生成树：根交换机会根据收到的消息，构建生成树。生成树是一棵以根交换机为根节点的树状结构，每个交换机都有一个指向上一级交换机的指针，形成了一条从叶子节点到根节点的路径。
5. 维护生成树：生成树会持续地进行维护，当网络中的链路发生故障或恢复时，生成树会相应地进行调整，选择新的主干路径，保证网络的正常运行。
三、华为生成树协议的优势和应用