什么是生成树协议（STP）？

生成树协议（Spanning Tree Protocol，简称 STP）是一个二层网络协议，用于防止局域网（LAN）中的二层环路。它通过阻塞冗余链路上的某些端口来形成一个无环路的树状结构，同时保证网络的冗余性。

• 标准协议： 最初由 IEEE 定义为 802.1D，后续的改进协议如 RSTP（802.1w）和 MSTP（802.1s）更适用于现代网络。
• 核心理念： 在冗余的二层拓扑中自动阻止一部分端口形成环路，但在主链路故障时可以快速启用备用链路。

生成树协议的作用

1. 防止二层环路：

   • 在局域网中，如果存在冗余链路，广播流量会在网络中无限循环，导致广播风暴，最终使网络瘫痪。
   • STP 通过阻止某些端口，确保只有一个路径是活动的，其余路径作为备用。

2. 提供冗余：

   • 如果主链路故障，STP 会自动启用备用链路，恢复网络连通性。

3. 提高网络稳定性：

   • 自动检测和修复拓扑问题，避免手动干预。

4. 实现流量优化：

   • 在有多条链路的情况下，确保流量按照最优路径转发。

生成树协议的工作原理

STP 的核心机制基于以下几步：

1. 选举根桥（Root Bridge）：

   • 网络中所有交换机会通过 BPDU（桥协议数据单元）交换信息，优先级最低的交换机被选为根桥。
   • 优先级（Priority）值越小，越可能成为根桥。默认优先级为 32768。

2. 计算根端口（Root Port）：

   • 每台非根桥设备选择通往根桥的最短路径，并标记该路径的端口为根端口。

3. 选举指定端口（Designated Port）：

   • 在每条网络段上，负责转发数据的端口被标记为指定端口。

4. 阻塞非必要端口（Blocking Ports）：

   • 所有剩余的端口被阻塞，防止环路发生。

生成树协议的类型

1. STP（802.1D）：
   • 标准生成树协议，收敛速度较慢（30-50秒）。
2. RSTP（802.1w）：
   • 快速生成树协议，收敛速度提高到几秒。
3. MSTP（802.1s）：
   • 多生成树协议，支持多实例生成树，适合复杂网络。

生成树协议的实际应用

场景 1：简单二层网络防环路

拓扑结构：

• 两台交换机（SW1 和 SW2）通过两条链路互联，形成环路。
• STP 自动阻塞一条链路，防止广播风暴。

操作步骤：

1. 启用 STP：   [SW1] stp enable [SW2] stp enable
2. STP 会选举一台交换机为根桥，假设 SW1 成为根桥。
3. SW2 的一个端口会进入阻塞状态，流量通过另一条链路传输。

效果：

• 环路被消除，网络稳定。
• 当主链路故障时，备用链路会自动启用。

场景 2：冗余核心交换网络

拓扑结构：

• 核心层（Core1 和 Core2）通过堆叠链路相连。
• 接入层交换机（Access1 和 Access2）同时连接到 Core1 和 Core2。

问题：

• 接入层交换机到核心层的连接存在环路风险。

解决方法：

1. 配置生成树协议：   [Core1] stp enable [Core2] stp enable [Access1] stp enable [Access2] stp enable
2. 设置优先级，确保 Core1 为根桥，Core2 为备份：   [Core1] stp priority 4096 [Core2] stp priority 8192
3. Access1 和 Access2 的部分端口会被阻塞，形成无环路的树状结构。

效果：

• 主链路故障时，备用链路自动启用，保证网络可靠性。
• 消除了二层环路，提高了网络稳定性。

场景 3：无线网络中的生成树协议

拓扑结构：

• 无线控制器（AC）连接到核心交换机。
• 接入层交换机通过链路聚合与核心交换机连接。

问题：

• 多条链路的冗余设计可能引发环路。

解决方法：

1. 启用 RSTP：   [Core] stp enable [Access] stp enable
2. 将无线 AP 所在端口设置为边缘端口：   [Access] interface GigabitEthernet0/0/1 [Access-GigabitEthernet0/0/1] stp edged-port enable

效果：

• 生成树协议消除网络环路。
• 边缘端口加快终端设备的连接速度。

生成树协议的优缺点

优点：

• 自动检测和阻止环路，提升网络稳定性。
• 提供冗余链路，增强网络的容错能力。
• 动态调整拓扑，无需人工干预。

缺点：

• 配置不当可能导致冗余链路未被充分利用。
• 传统 STP 收敛速度较慢，在网络变化时可能造成短暂中断。

总结

生成树协议是现代二层网络中不可或缺的协议，它通过防止环路和自动修复故障链路，保证了网络的稳定性和可靠性。在企业网络中，通过合理配置生成树协议，可以有效解决冗余链路问题，并提供快速的故障恢复能力。