网络基础之STP

环路问题

1、二层环路（Layer 2 Loop）

• 定义：二层环路发生在数据链路层，通常是由于以太网交换机之间的物理或逻辑连接形成了闭环所致。
• 影响：二层环路会导致广播风暴或MAC地址表震荡，即广播帧在环路中不断循环，消耗大量带宽，导致网络拥塞，甚至网络瘫痪。
• 常见原因：交换机端口配置错误、冗余链路没有正确实施生成树协议（如STP、RSTP、MSTP）。
• 解决方法：使用生成树协议（STP/RSTP/MSTP）来阻塞环路中的一部分链路，确保任一时刻只有一条活动路径。

2、三层环路（Layer 3 Loop）

• 定义：三层环路发生在网络层，通常是由于路由器之间的路由配置错误或路由协议问题导致的。
• 影响：三层环路会导致路由环路，即数据包在路由器之间循环，造成路由不稳定，增加延迟，消耗路由器资源，可能导致路由黑洞。
• 常见原因：不正确的静态路由配置、动态路由协议（如OSPF、EIGRP、BGP等）配置错误或路由协议未能正确收敛。
• 解决方法：检查并修正路由配置，确保路由协议正确实施，使用路由协议的特性（如水平分割、毒性逆转等）来避免环路。

生成树协议

STP(SpanningTree Protocol，注成树协议)是用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。
通过在桥之间交换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

1、定义

桥协议数据单元，用于传递STP协议相关报文

2、分类

• 配置BPDU：用于传递STP的配置信息
• TCN BPDU：用于通告拓扑变更信息

STP的选举机制

1、在所有交换机中选举出一台作为根网桥(Root bridge)

• 选举规则
  Bridge-id小的优先

• Brideg-id
  定义：桥ID，BID，用来标识交换机身份
  格式：优先级 + Mac地址；优先级默认32768，必须是4096的倍数；

2、每台非根网桥(交换机)选举出一个根端口(Root port)

• 开销
  Cost，代表路径耗费的代价和成本，带宽越大，开销越小

• 选举规则

1.到达根网桥开销小的优先
2.对端交换机BID小的优先
3.端口ID小的优先

3、每个物理段上选举出一个指定端口(Designated port)

• 选举规则

1.到达根网桥开销小的优先
2.本机BID小的优先
3.端口ID小的优先

4、剩下没有角色的端口就是阻塞端口(Blocked Port)

STP的初始化流程

交换机的端口状态

disable：禁用状态，被关闭的端口
blocking：阻塞状态，接收BPDU，但不发送BPDU，不学习Mac地址，不转发数据
listening：监听状态，接收并发送BPDU，不学习Mac地址，不转发数据，持续15秒（选举根网桥，根端口等操作在此步骤）
learning：学习状态，接收并发送BPDU，学习Mac地址，不转发数据，持续15秒
forwarding：转发状态，接收并发送BPDU，学习Mac地址，转发数据

STP计时器

1、Hello time

• 2秒
• 配置BPDU的发送周期

2、Max age

• 20秒
• 判断链路故障的时间，10个Hello time周期

3、Forwarding delay

• 15秒
• 状态切换延迟

STP的拓扑变更机制

1、Max age超时/有接口变更为转发状态，判断为拓扑发生变更，向根网桥发起TCN BPDU
2、收到TCN BPDU的交换机继续向根网桥转发TCN BPDU，到达根网桥为止
3、根网桥收到TCN BPDU后，向所有端口发起TC置位的配置BPDU
4、交换机收到TC置位的配置BPDU后，Mac地址表的老化时间缩短到15秒

STP的问题

1、收敛速度慢，故障切换时间太长
2、网络中大量主机频繁上下线，会导致TCN BPDU以及TC置位BPDU大量发送