DCN-TS06 生成树协议原理和配置070831

一、实验目的1. 理解生成树协议（STP）的基本原理和工作机制；2. 掌握生成树协议的配置方法；3. 通过实验验证生成树协议在网络中的实际应用效果。

二、实验环境1. 实验设备：两台华为S5700交换机、两台PC机；2. 实验软件：华为网络设备仿真软件；3. 实验拓扑：两台交换机通过一条物理链路连接，两台PC机分别连接到两台交换机上。

三、实验原理生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是一种用于在网络中消除环路并实现冗余链路备份的协议。

当网络中出现环路时，STP会阻塞部分端口，形成一个没有环路的树形结构，确保网络的高可用性和容错能力。

STP通过交换机之间的BPDU（Bridge Protocol Data Unit）报文进行信息交互，选举根网桥，并确定每个交换机的根端口和指定端口。

根端口是连接到根网桥的端口，指定端口是连接到同一VLAN且路径最短的端口。

其余端口被阻塞，不参与数据转发。

四、实验步骤1. 配置交换机名称和密码；2. 配置交换机接口；3. 配置VLAN；4. 配置STP；5. 验证STP配置效果。

五、实验过程1. 配置交换机名称和密码```bashS1>display versionS1>sysname S1S1>display versionS1>enableS1#configure terminalS1(config)#username admin password simple 123456 S1(config)#exit```2. 配置交换机接口```bashS1>display ip interface briefS1#interface GigabitEthernet0/0/1S1(config-if)#ip address 192.168.1.1 24S1(config-if)#exitS1#interface GigabitEthernet0/0/2S1(config-if)#ip address 192.168.1.2 24S1(config-if)#exit```3. 配置VLAN```bashS1>display vlanS1#vlan 10S1(config-vlan)#name VLAN10S1(config-vlan)#exitS1#interface GigabitEthernet0/0/1S1(config-if)#port link-type access S1(config-if)#port default vlan 10 S1(config-if)#exitS1#interface GigabitEthernet0/0/2S1(config-if)#port link-type access S1(config-if)#port default vlan 10 S1(config-if)#exit```4. 配置STP```bashS1>display stpS1#stpmode stpS1>display stpS1#interface GigabitEthernet0/0/1S1(config-if)#port link-type access S1(config-if)#port default vlan 10 S1(config-if)#exitS1#interface GigabitEthernet0/0/2S1(config-if)#port link-type access S1(config-if)#port default vlan 10S1(config-if)#exit```5. 验证STP配置效果```bashS1>display stpS1>display stp interface GigabitEthernet0/0/1S1>display stp interface GigabitEthernet0/0/2S1>ping 192.168.1.2```六、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，成功配置了生成树协议，并验证了STP在网络中的实际应用效果。

生成树协议的作用功能强大、可靠的网络需要有效地传输流量，提供冗余和故障的快速恢复功能。

在第2层网络中，路由协议不可用，生成树协议通过从软件层面修改网络物理拓扑结构来构建一个无环路逻辑转发拓扑结构，提供了物理线路的冗余连接，消除了网络风暴，从而提高网络的稳定性和减少网络故障的发生率。

生成树协议的原理生成树协议（Spanning Tree Protocol）是在网络有环路时，通过一定的算法将交换机的某些端口进行阻塞，从而使网络形成一个无环路的树状结构。

1、生成树协议的工作过程采用三个规则来使某个端口进入转发状态：生成树协议选择一个根网桥，根网桥的所有端口都处于转发状态每一个非根网桥选一个端口到根网桥中且管理成本最低的端口作为根端口，生成树协议将使根端口处于转发状态当网络中有多个网桥时，它们会将其到根网桥的管理成本宣告出去，其中管理成本最低的网桥作为指定网桥，指定网桥中发送最低管理成本BPDU的端口为指定端口，该端口处于转发状态，所有其他端口被置为阻塞状态2、根网桥的选择开始所有网桥都通过发送STP报文来声明自己是根网桥，这些交换信息的数据成为网桥协议数据单元（BPDU），BPDU 包含以下内容：根网桥的ID一个可设置的优先级这是根网桥的优先级到达根网桥的成本发送该BPDU的网桥ID根网桥的选择条件：最小优先级别的网桥将成为根网桥若优先级别相同，则具有最小网桥ID的网桥成为根网桥注：网桥或交换机选择地址池中的一个MAC地址作为网桥的ID，由于MAC地址的唯一性，所以网桥ID也是唯一的。

用来标识根网桥和优先级、网桥ID和成本的报文成为hello 数据包。

STP就是通过hello数据包中的内容来判断网络中是否有比自己更合适作为根网桥的网桥，如果有就停止并且转发合适网桥的hello数据包，最终将有一台网桥成为根网桥。

3、根端口的选择不是根网桥的交换机都选择一个根端口，这是通过判断出有最小根路径成本的端口做到的，这个代价一直带在BPDU上，沿途的每台不是根网桥的交换机都把接收BPDU的端口的本地端口成本加上去，伴随BPDU的产生，就累加出了根路径成本。

课程 DA000028 生成树原理ISSUE 1.0目录课程说明 (1)课程介绍 (1)课程目标 (1)第1章透明桥接概述 (2)1.1 透明网桥的应用 (2)1.2 路径回环的产生 (4)1.3 生成树协议的引入 (5)第2章 STP协议 (6)2.1 生成树协议基本原理 (6)2.2 配置消息介绍 (7)2.3 生成树比较 (9)2.4 配置消息举例 (11)2.5 链路故障处理 (13)2.6 临时回路处理 (17)2.7 拓扑改变时处理 (21)2.8 生成树协议的不足 (25)第3章快速生成树协议（RSTP） (26)3.1 快速生成树协议介绍 (26)3.2 快速生成树协议改进 (27)3.3 生成树和快速生成树的比较 (32)课程说明课程介绍本课程主要介绍STP(Spanning Tree Protocol)。

在以太网中为了避免单点故障进行链路冗余备份，链路的冗余备份又会导致路径环路，从而产生网络风暴。

STP协议可应用于环路网络，通过一定的算法阻断某些冗余路径，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。

课程目标完成本课程的学习后，您应该能够：●掌握路径环路产生的原因●掌握STP协议的基本原理●掌握RSTP协议的基本原理第1章透明桥接概述1.1 透明网桥的应用对于一般的透明网桥来说，通常都具有以下的特点：拓展LAN能力：通过透明网桥的应用，可以使原先只在小范围LAN上操作的站点能够在更大范围的LAN环境中工作。

透明网桥能够自主学习站点的地址信息，从而有效控制网络中的数据包数量。

当网桥的某个端口上收到含有某个源MAC地址的数据帧时，它就把该MAC地址和接收该数据帧的端口号保存在MAC地址表中。

MAC地址表能够指明该MAC地址与透明网桥的哪个端口相连。

当网桥收到一个数据帧时，会查找这张地址表，找到目的MAC所对应的端口。

然后分下列三种情况进行处理：如果目的端口是接收端口，则抛弃这个帧；如果不是接收端口，则从那个端口转发该帧。

生成树协议原理及应用目录1生成树协议综述 (3)1.1 生成树协议的产生背景 (3)1.2 生成树协议的分类 (3)1.3 生成树协议所遵循的IEEE标准 (3)2 STP协议概述 (4)2.1 STP工作原理 (4)2.2配置消息介绍 (4)2.2.1 配置消息格式 (5)2.2.2 配置消息的处理 (6)2.2.3 配置消息的优先级比较原则 (6)2.2.4 配置消息处理示例 (7)2.3 链路故障处理 (11)2.3.1 链路故障处理示例 (11)2.4 临时环路的问题 (12)2.4.1 临时环路的避免 (12)2.5 端口状态 (13)2.5.1 端口状态迁移 (14)2.6 MAC地址消息的生存期 (15)2.7 拓扑改变消息的传播 (15)3 RSTP协议概述 (17)3.1 STP的不足 (17)3.2 RSTP改进 (18)3.3 RSTP的性能 (21)3.4 RSTP与STP的区别 (21)3.5 RSTP与STP的兼容 (21)3.6 RSTP可配置的相关参数 (22)3.6.1 RSTP相关配置-选择合适根桥 (23)3.6.2 RSTP相关配置-配置Hello Time (23)3.6.3 RSTP相关配置-配置端口的Max Age (23)3.6.4 RSTP相关配置-配置端口的Forward Delay (23)4 MSTP协议概述 (24)4.1 RSTP的不足 (24)4.2 MSTP简介 (25)4.3 MSTP相关概念 (25)4.3.1 MSTP region的划分 (25)4.3.2 MSTP运行示例-IST (26)4.3.3 MSTP运行示例-CST (38)5生成树在实际工程中的应用 (39)5.1 环路预防 (39)5.1.1 实际应用举例 (41)5.2冗余备份 (42)5.2.1纯二层冗余备份 (42)5.2.2与VRRP结合使用 (43)1生成树协议综述1.1 生成树协议的产生背景如上图所示，单点网络会存在单点故障，但是冗余的网络设计又会导致环路发生，引起广播风暴，造成网络的不稳定。

⽣成树协议⽣成树详解⼆层交换技术就是局域⽹交换技术，内容主要包括⼆层交换的⼯作原理、⽹络环路、如何利⽤STP来解决⽹络环路、VLAN及VTP技术。

⾸先要了解传统共享以太⽹的⼯作模式，了解冲突域，⼴播域以及⽹络分段。

⼤家都知道传统共享以太⽹使⽤的是CSMA/CD机制，即载波侦听多路访问/冲突检测。

我们来详细分析⼀下：CSMA/CD是⼀种分布式介质访问控制协议，⽹络中的各个节点都能独⽴地决定数据帧的发送与接收。

每个节点在发送数据帧之前，⾸先要进⾏载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。

这时，如果两个以上的节点同时监听到介质空闲并发送帧，则会产⽣冲突现象，这使发送的帧都成为⽆效帧，发送随即宣告失败。

每个节点必须有能⼒随时检测冲突是否发⽣，⼀旦发⽣冲突，则应停⽌发送，以免介质带宽因传送⽆效帧⽽被⽩⽩浪费，然后随机延时⼀段时间后，再重新争⽤介质，重发送帧。

最早由Inter，施乐，DEC三家公司提出以太⽹标准，后来IEEE组织制定了802.3标准规定了以太⽹的物理层和数据链路层的MAC⼦层，主要就是定义了10BASE-2、10BASE-5、10BASE-T、10BASE-F等，规定了介质，带宽，距离等。

同时还定义了⼀个802.2 标准，规定以太⽹数据链路层的LLC⼦层，即逻辑链路控制⼦层，主要是提供了⼀个数据链路层与⽹络层的接⼝，如图所⽰⽹络层有很多协议，数据链路层提供了很多协议之间的区分，使⽤⽹络层的哪⼀个协议，这就是为什么数据帧要封装⼀个LLC的头部信息。

但传统以太2帧中不是使⽤LLC封装⽽是在数据帧中有⼀个2个字节的type来表明上⽹所使⽤的协议,如下图所使⽤的⽹络层协议是ARP。

冲突域：共享式以太⽹中的所有节点在需要与其他节点通讯时是可以发送数据的，但是CSMA/CD的机制却在确保在某个时刻只有⼀个节点可以发送数据，那如果⾁个同时发送数据了，出现这种情况会导致冲突，那么在这个共享式⽹络中可能产⽣冲突的这么⼀个范围，我们就称为冲突域。

生成树协议STP和快速生成树协议RSTP的配置及原理生成树协议STP和快速生成树协议RSTP：生成树协议的由来：由于网络中会存在单点故障而导致网络无法访问，系统瘫痪，因此在网络中提供冗余链路即引入备份链路来解决单点故障问题，但是------这样做的好处是：减少单点故障，增加网络可靠性；缺点是：产生交换环路，会导致广播风暴、多帧复制、MAC地址表抖动。

因此生成树协议是为了提供冗余链路，解决环路问题（作用）。

生成树协议的原理：使冗余端口置于“阻塞状态”；网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效；当原本的链路出现故障时，将处于“阻塞状态”的端口重新打开，从而确保网络连接稳定可靠。

实验目的：使网络在有冗余链路的情况下避免环路的产生，避免广播风暴等实验拓扑：配置过程：（此实验需要先配置再连线，只能在真实机上做）生成树协议STP：1.开启生成树协议：（A和B同）switchA#configure terminal 进入全局配置模式switchA(config)#spanning-tree 开启生成树协议2.设置生成树模式：（A和B同）switchA(config)#spanning-treemode stp ！设置生成树模式为STP（802.1D）验证测试：验证生成树协议模式为802.1D3.验证生成树协议已经开启：（A和B同）switchA#showspanning-tree ！显示交换机生成树的状态switchA#showspanning-tree interface fastEthernet 0/1 ！显示交换机接口fastethernet0/1的状态switchA#showspanning-tree interface fastEthernet 0/2 ！显示交换机接口fastethernet0/2的状态4.测试结果：C:\Users\pdsu>ping -t192.168.10.1正在Ping192.168.10.1 具有32 字节的数据:请求超时。

生成树协议（STP，Spanning Tree Protocol）是一种工作在OSI网络模型中的第二层（数据链路层）的通信协议。

它的基本应用是防止交换机冗余链路中产生的环路，从而确保以太网中无环路的逻辑拓扑结构，避免广播风暴占用交换机大量的资源。

STP的工作原理是，如果任意一台交换机到达根网桥有两条或者两条以上的链路，STP会根据算法仅保留一条链路，切断其他链路，以保证任意两个交换机之间只有一条单一的活动链路。

这种生成的拓扑结构类似于以根交换机为树干的树形结构，因此被称为生成树协议。

STP基于Radia Perlman在DEC工作时发明的一种算法，该算法被纳入了IEEE 802.1d标准中。

STP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，通过构造一棵自然树的方法达到剪裁冗余环路的目的，同时实现链路备份和路径最优化。

STP通过桥之间互相转换BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元）来保证设备完成生成树的计算过程。

BPDU有两种类型：普通BPDU用于生成树计算以及维护生成树，而BPDU TCN则在网络拓扑发生变化时发送报文告知其他设备。

STP的主要目的是通过阻断冗余链路来消除桥接网络中可能存在的路径回环，并在当前路径发生故障时，激活冗余备份链路以恢复网络的连通性。