生成树协议：监控 STP 端口和交换机

什么是生成树协议？

生成树协议（STP）用于网络交换机中防止环路和广播风暴。在局域网（LAN）中，两个或多个冗余路径可能连接到同一网络段。当交换机或网桥从所有可用端口发送帧时，这些帧会在网络中循环，导致拥塞。STP 防止这种情况发生。

生成树协议于 1985 年开发，此后已发展出适用于各种网络环境的不同类型。STP 是当今大多数 网络交换机.

的常见功能。

• 常见的 STP 版本包括：
• 快速生成树协议 (RSTP)
• 多生成树协议 (MSTP)
• 每 VLAN 生成树 (PVST)

快速 PVST

为什么需要网络冗余？ 网络冗余为网络段提供保障，以防不可用。在典型的局域网（LAN）

，网络设备如桌面电脑、打印机和工作站被分组到一个网络段。一个网桥或交换机将每个网络段连接到另一个交换机或路由器，以提供互联网访问。交换机也相互连接，以提供局域网内通信。设备使用以太网帧在局域网内通信。

当其中一个交换机宕机或被阻塞时，整个该网络段都会失去连接。为防止这种情况，提供冗余网桥或交换机作为备份。当主交换机宕机时，备份交换机仍然维持网络连接。

广播风暴：冗余的代价

交换机通常从所有可用端口发送帧。没有冗余时，数据帧从源交换机经过一系列交换机，直到到达连接到正确网络段的目标交换机。目标交换机然后将其转发给正确的设备。然而，当存在冗余时，到达目标的路径不止一条。帧被两个交换机重复发送，开始在网络中循环。

这会迅速失控，不久整个网络会被帧淹没。网络容量达到极限，设备无法处理所有传入流量。这种不良情况称为广播风暴。广播风暴是冗余局域网内固有的漏洞。

解决方案：生成树协议

生成树协议解决了广播风暴的问题。仅当交换机始终从所有端口发送所有帧时才会出现交换环路。STP 提供阻塞某些端口的手段，仅保留源和目标之间的唯一路径。

要了解 STP 如何工作，我们必须首先了解与其关联的一些术语。 根桥 或 根交换机：

根桥，也称为根交换机，由启用 STP 的交换机自动识别。您也可以通过分配网络中最低的桥 ID 来手动指定根桥，虽然这可能影响性能。根桥大致位于网络中心和所有其他交换机之间。一旦指定根桥，网络中的所有交换机会寻找到根桥的最佳路径，所有其他端口则被阻塞。网桥通过交换 BDPU 帧进行通信。 BPDU：

桥协议数据单元 (BPDU) 是启用 STP 的交换机用于映射网络中不同路径的帧。BPDU 还使根交换机能够控制其他交换机端口的状态。启动时以及启动后，交换机会定期交换 BPDU 以跟踪拓扑变化。 STP 表：

交换机计算网络中每条路径的成本并记录在 STP 表中。当首次启用 STP 时，交换机会发送 BPDU 来发现彼此，并将数据记录在表中。后续的拓扑变化也会更新此表。STP 表使用成本计算到特定目标的最佳路径。 路径成本：

路径成本基于网络链路速度和可用带宽计算。当交换机首次映射其环境时，会计算连接到根交换机的不同路径的成本。每个交换机会将自身成本加到前一个交换机的成本上，直到到达根交换机。然后根交换机选择成本最低的路径。 STP 算法：

路径成本由 STP 算法计算。一般来说，成本通过公式：网络速度除以带宽计算。不同版本的公式用于反映不同速度和网络配置。根端口：

> 根端口指定给网络中所有交换机。根端口是直接连接至根交换机的端口，或连接到通往根交换机最低成本路径上的另一交换机的端口。 指定端口：

相反，指定端口或转发端口是指向根端口以外路径的端口。根交换机上的所有端口都是指定端口，因为它没有根端口。交换机在启动时分配根端口和指定端口。

STP 如何防止交换环路？

初始时，网络中的交换机有一个根端口和多个指定端口连接到其他交换机。根交换机使用 STP 算法计算从源交换机到目标交换机的最低成本路径。该路径的指定端口转发帧，所有其他指定端口进入阻塞状态，不传输数据。这意味着任何时候仅使用一条路径发送和接收帧，有效防止了交换环路。 a 如上图所示，如果网络段中的设备 c必须与另一个网络段中的设备通信， C 数据帧必须从交换机 A 到交换机 （根交换机）传送。有三条可能的路径。 路径 1 A 涉及交换机 B. 和 路径 1 A, E路径 2 D. ，以及 路径 1 A 涉及交换机 D路径 3 。使用 STP，我们计算 路径 3 。使用 STP，我们计算 是成本最低的路径。除路径 3 涉及的端口外，所有指定端口均被阻塞，帧通过路径 3 传输。 。使用 STP，我们计算.

但是，如果 。使用 STP，我们计算拥塞或被阻塞，则选择下一个最低成本路径， 路径 1，进行传输。实现了冗余。通常，交换机端口具有介于阻塞状态和转发状态之间的多个状态。

不同的端口状态有哪些？

交换机启动时，其端口会经历几个端口状态，之后被分配为指定端口或转发端口。

禁用端口状态： 在此状态下，端口完全不参与转发操作。管理员可以手动禁用 STP 端口。

阻塞端口状态： 该端口不参与帧转发，因为它处于可能引起交换环路的冗余路径中。该端口继续监听 BPDU，可根据 BPDU 切换到其他状态。

监听状态： 在监听状态下，端口继续接收和处理 BPDU，如有需要，可切换到阻塞状态或学习状态。它不会更新表也不转发数据帧。

学习状态： > 在该状态下，端口接收 BPDU 并处理，用于更新 STP 表中的其他交换机地址。端口仍然不参与帧转发。

转发状态： 端口接收来自网络段和其它端口的帧，并将其转发到目标交换机。在转发状态下，端口完全参与局域网切换操作。端口也继续接收 BPDU 并更新 STP 表。

端口需要大约 15-20 秒经过所有状态，最终达到转发状态。STP 通过平衡阻塞端口和转发端口，防止交换环路，同时实现冗余。

更新的生成树协议版本

虽然原始的 STP 协议设备对拓扑变化的响应时间超过 30 秒，后续版本如快速生成树协议 (RSTP) 可以在两秒内完成响应。

同样，每 VLAN 生成树 (PVST) 是针对 VLAN 的 STP，为每个 VLAN 创建单独的生成树。思科还发布了快速生成树协议（RSTP）的专有版本——快速每 VLAN 生成树 (RPVST)。另一种协议是多生成树协议 (MSTP)。

虽然存在如最短路径桥接等 STP 替代方案，但 STP 仍然在大多数网络交换机中很受欢迎。因此，监控 STP 交换机和端口是所有组织必须执行的实践。

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