3.10、以太网交换机的生成树协议 STP

1、如何提高以太网的可靠性？

若交换机 A 与交换机 B 之间的链路故障

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若交换机 A 与交换机 B 和 交换机 C 之间的链路都出现故障

则原来的以太网，变成了三个独立的较小的以太网，它们之间无法通行

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1.1、冗余链路提高可靠性

添加$冗余链路$可以提高以太网的可靠性

• 例如：给交换机 B 和 C 之间添加一条冗余链路后
  • 即使若交换机 A 与交换机 B 之间的链路出现故障，整个网络还是连通的

1.2、网络环路问题

但是冗余链路也会带来负面效应-----形成$网络环路$

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1.2.1、广播风暴

$广播风暴$

• 大量消耗网络资源，使得网络无法正常转发其他数据帧

假设主机 H1 发送一个广播帧（假设都知道了对方的 MAC 地址）

交换机 B 收到该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

交换机 A 收到交换机 B 转发来的该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

交换机 C 收到交换机 B 转发来的该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

交换机 C 收到交换机 A 转发来的该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

交换机 A 收到交换机 C 转发来的该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

交换机 B 收到交换机 C 转发来的该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

交换机 B 收到交换机 A 转发来的该帧后，将其从自己的其他所有接口转发出去

显然，该广播帧将在各交换机之间反复转发，分别按顺时针和逆时针方向同时兜圈

这就是所谓的广播风暴

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1.2.2、重复广播帧

$主机收到重复的广播帧$

• 大量消耗主机资源

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1.2.3、帧交换表震荡

$交换机的帧交换表震荡（漂移）$

当交换机 B 收到主机 H1 发送的广播帧后，进行登记工作

• 将帧的源 MAC 地址 H1 和帧进入交换机 B 的接口号 $1$ 登记到交换表中
• 这条记录时正确的

当交换机 B 再次收到交换机 C 转发来的该广播帧后，进行登记工作

• 将帧的源 MAC 地址 H1 和帧进入交换机 B 的接口号 $2$（这条错误记录） 登记到交换表中

  并删除原先正确的记录

• (源 MAC 地址还是主机 H1 的 MAC 地址，$B->A->C->B$)

当交换机 B 再次收到交换机 A 转发来的该广播帧后，进行登记工作

• 将帧的源 MAC 地址 H1 和帧进入交换机 B 的接口号 $3$（这条错误记录） 登记到交换表中

  并删除原先错误的记录

• (源 MAC 地址还是主机 H1 的 MAC 地址，$B->C->A->B$)

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很显然，有关 MAC 地址 H1 的记录将在这两个错误记录之间反复震荡

2、生成树协议 STP

• 以太网交换机使用$生成树协议STP$(Spanning Tree Protocol),可以在增加冗余链路来提高网络可靠性的同时又$避免网络环路带来的各种问题$。
• 不论交换机之间采用怎样的物理连接，交换机都能够$自动计算并构建一个逻辑上没有环路的网络$，其逻辑拓扑结构必须是树型的(无逻辑环路);

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例如：$5$ 台交换机之间进行了冗余连接，冗余链路不止一条，网络环路不止一个

• 简单起见（各交换机上连接的主机没有画出）
• 绿色（交换机的接口状态为正常状态）
• 橙色（交换机的接口状态为阻塞状态）
• 红色（交换机的接口状态为故障状态）

如果各交换机的各接口都处于正常状态，则会存在多个网络环路

实际上，各交换机之间按照生成树协议中规定的生成树算法，交互一些参数后，就可以判断出自己应该阻塞自己的哪些接口。

这样就形成了在逻辑上没有环路的网络

最终生成的树型逻辑拓扑要$确保连通整个网络$;

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相关交换机检测到该故障后，重新计算生成树，决定将自己之前阻塞的接口恢复为正常状态

这样就会形成一个新的逻辑上没有环路的网络

当首次连接交换机或网络$物理拓扑发生变化$时(有可能是人为改变或故障)，交换机都将进行$生成树的重新计算$。

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3、总结

• 以太网交换机使用$生成树协议STP$(Spanning Tree Protocol),可以在增加冗余链路来提高网络可靠性的同时又$避免网络环路带来的各种问题$。

• 不论交换机之间采用怎样的物理连接，交换机都能够$自动计算并构建一个逻辑上没有环路的网络$，其逻辑拓扑结构必须是树型的(无逻辑环路);

• 最终生成的树型逻辑拓扑要$确保连通整个网络$;

• 当首次连接交换机或网络$物理拓扑发生变化$时(有可能是人为改变或故障)，交换机都将进行$生成树的重新计算$