STP简介

一、STP 概念定义

STP(Spanning Tree Protocol)生成树协议,是一个用于局域网中消除环路的协议。

  • STP 该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路,并对某些接口进行阻塞以消除环路。
  • STP 在网络中运行后会持续监控网络的状态
  • 当网络出现拓扑变更时,STP 能够感知并且进行自动响应,从而使得网络状态适应新的拓扑结构,保证网络可靠性。
  • 在具有冗余链路的局域网(LAN)中,STP 可以防止出现数据链路层的环路,避免广播风暴、MAC 地址表混乱等问题,从而提高网络性能和稳定性。

二、STP 工作原理

  • 选举根桥:网络中的各交换机通过比较桥 ID(由优先级和 MAC 地址组成)来确定根桥,具有最小桥 ID 的交换机成为根桥。
  • 确定根端口:非根桥上的各个端口通过计算到根桥的路径开销来确定根端口,到根桥开销最小的端口被选为根端口。
  • 选举指定端口:每个网段上选举一个指定端口,该端口是到根桥开销最小的端口。
  • 阻塞非指定端口:除根端口和指定端口外的其他端口被阻塞,处于阻塞状态的端口不转发数据,从而防止环路形成,但它会监听网络状态。

三、STP 优点缺点

优点

  • 消除环路:有效解决冗余链路带来的环路问题,保障网络的正常运行。
  • 简单可靠:原理相对简单,在各种网络环境中应用广泛且较为稳定。

缺点

  • 收敛速度慢:在网络拓扑发生变化时,需要一定时间来重新计算和调整,可能会导致较长时间的数据中断。
  • 链路利用率不高:由于阻塞了部分端口,导致链路资源不能得到充分利用。
  • 不适应动态网络:对于网络中的频繁变化可能适应性不足。

四、STP RSTP MSTP

  • STP:最早的生成树协议,其主要目的是防止网络中出现环路,保证网络的稳定性。
    • STP 的端口状态切换较慢,需要等待 2 倍的 Forward Delay 时间延迟,因此收敛速度较慢。
    • STP 不能按 VLAN 阻塞冗余链路,所有 VLAN 的报文都沿着一棵生成树进行转发。
  • RSTP:是 STP 的改进版本,它在保持 STP 基本原理的同时,引入了一些新的机制来加快网络的收敛速度。
    • RSTP 将端口状态划分为三种:指定(designated)、根(root)和备份(alternate),相比 STP 的端口状态,减少了状态切换的次数,从而加快了收敛速度。\
    • RSTP 通过减少 BPDU 的发送间隔和超时时间来加快收敛速度。当网络拓扑发生变化时,RSTP 可以更快地重新计算生成树。RSTP 还向后兼容 STP,可以在 STP 和 RSTP 混合的网络环境中工作。
  • MSTP:将环路网络修剪成为一个无环的树形网络。
    • 避免报文在环路网络中的增生和无限循环,同时还提供了数据转发的多个冗余路径,在数据转发过程中实现 VLAN 数据的负载均衡。
    • MSTP 兼容 STP 和 RSTP,并且可以弥补 STP 和 RSTP 的缺陷。它既可以快速收敛,也能使不同 VLAN 的流量沿各自的路径分发,从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。

五、STP 具体应用

  • 局域网构建:在企业、校园等局域网环境中,通过 STP 确保冗余链路情况下网络的稳定,防止环路导致的广播风暴等问题。
  • 网络扩展与改造:当网络需要增加新的设备或链路进行扩展或改造时,STP 可以保障新拓扑结构下的正常运行。
  • 网络可靠性提升:对于对网络可靠性要求较高的场景,如数据中心等,STP 可以作为保障网络持续可用的重要机制之一。
  • 多层交换网络:在多层交换网络中,STP 帮助实现不同层次间的无环连接和数据传输。

六、STP 问题解决

问题:

  1. 收敛速度慢:如前所述,在拓扑发生变化时可能导致较长时间的数据中断。
  2. 根桥不稳定:可能由于配置错误或网络环境变化导致根桥频繁切换。
  3. 端口状态异常:比如阻塞端口错误地变为转发状态,或者转发端口异常阻塞。
  4. BPDU 风暴:过多的 BPDU 报文在网络中传播,影响网络性能。
  5. 拓扑变更通告不及时:导致网络不能及时调整状态。
  6. 与其他协议兼容性问题:可能与某些特定的网络协议或功能存在冲突。
  7. 环路未完全消除:由于配置失误或其他原因导致仍存在隐藏的环路。

解决:

  • 检查配置:确认各交换机的 STP 模式(如 STP、RSTP 等)是否一致。检查端口的 STP 参数设置,如优先级等。
  • 查看端口状态:观察是否存在异常的端口状态,如长时间处于阻塞状态但不应阻塞的端口。
  • 检查拓扑结构:确认网络实际拓扑与预期是否相符,是否存在冗余链路连接错误等情况。查看是否有新增设备或链路改变导致问题。
  • 分析 BPDU 信息:借助工具查看交换机之间交互的 BPDU 内容,检查根桥选举等是否正常。
  • 检查物理连接:确保链路物理连接正常,不存在松动、损坏等情况。
  • 日志分析:查看交换机的系统日志,看是否有相关 STP 错误或告警信息。
  • 对比正常网络:如果有类似正常运行的网络环境,可以进行对比分析,找出差异点。

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