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生成树协议 STP 用于网络交换机以防止循环和广播风暴。在局域网 LAN 中两条或多条冗余路径可以连接到同一网段。当交换机或网桥从所有可用端口传输帧时这些帧开始在网络内环路从而导致拥塞。STP 可防止这种情况发生。
生成树协议开发于 1985 年此后已发展为适用于各种网络环境的不同类型。STP 是当今大多数网络交换机的常见功能。
STP 的流行版本包括
快速生成树协议RSTP多生成树协议MSTPPer-VLAN 生成树PVST快速PVST
为什么需要网络冗余
为网段提供网络冗余以防止不可用在典型的 LAN 中台式机、打印机和工作站等网络设备被分组到一个网段中网桥或交换机将每个网段连接到另一个交换机或路由器以提供互联网访问交换机还相互连接以提供 LAN 内部通信设备使用 LAN 中的以太网帧进行通信。
当其中一个交换机关闭或被阻止时整个网段将失去连接为防止这种情况提供了冗余网桥或交换机作为备份当主数据库关闭时辅助数据库仍保持网络连接。
广播风暴冗余的成本
交换机通常从所有可用端口传输帧如果没有冗余数据帧从源交换机经过一系列交换机直到到达连接到正确网段的目标交换机然后目标交换机将它们定向到正确的设备但是当存在冗余时有多种方法可以到达目的地帧由两台交换机重新传输并开始在网络内循环。
这可能会失控在您意识到之前整个网络都被帧淹没了达到网络容量设备无法处理所有传入流量这种令人讨厌的情况被称为广播风暴广播风暴是网络冗余中的固有漏洞。
解决方案生成树协议
生成树协议解决了广播风暴的问题只有当开关始终传输出所有帧时才会出现切换环路STP 提供了在正确的时间阻止某些端口的方法在源和目标之间只留下一条路径。
要了解STP的工作原理我们必须首先查看与之相关的几个术语。
根网桥或根交换机根网桥也称为根交换机由 STP 交换机自行标识您也可以通过分配网络中最低的网桥 ID 号来手动分配根网桥尽管这可能会影响性能根网桥大致位于网络和所有其他交换机的中心分配根网桥后网络中的所有交换机都会找到到根网桥的最佳路径所有其他端口将被阻止网桥通过使用 BDPU 帧进行通信来实现此目的。BPDU网桥协议数据单元BPDU是支持 STP 的交换机用来映射网络中不同路径的帧BPDU 还允许根交换机控制其他交换机端口的状态BPDU 在启动期间在交换机之间交换并在启动后定期交换以跟踪拓扑更改。直通式处理表交换机计算网络中每条路径的成本并将其记录在STP表中首次启用 STP 时交换机会发送 BPDU 以相互定位并将其数据记录在表中后续拓扑更改将在表中更新STP 表使用成本来计算到特定目标的最佳路径。路径成本路径成本是使用网络链路速度和可用带宽计算的。当交换机首次映射其环境时它们会计算将它们链接到根交换机的不同路径的成本每个交换机都会将其成本添加到之前的交换机成本中直到到达根交换机然后根交换机选择成本最低的路径。直通式处理算法成本计算由 STP 算法完成。通常成本的计算公式为网络速度除以带宽。此公式的不同版本用于反映不同的速度和网络配置。根端口为网络中的所有交换机指定根端口根端口是直接连接到根交换机的端口或者是连接到根交换机成本最低路径中的另一台交换机的端口。指定端口相反指定端口或转发端口是指向远离根端口的端口根交换机中的所有端口都是指定的端口因为它没有根端口交换机在启动期间分配根端口和指定端口。
STP 如何防止切换回路
最初网络中的交换机将有一个根端口和许多指定的端口将它们连接到其他交换机根交换机使用 STP 算法计算从源交换机到目标交换机的最低成本路径此路径的指定端口转发帧而所有其他指定帧处于阻塞状态不传输数据这意味着在任何时候都只使用一条路径来发送和接收帧从而有效地防止了切换环路。 如上图所示如果网段 A 中的设备必须与网段 c 中的设备通信则数据帧必须从交换机 A根交换机到达交换机 C。有三种可能的路径。路径 1 涉及开关 A 和 B。路径 2 涉及开关 A、E 和 D。路径 3 涉及开关 A 和 D。使用 STP我们计算出路径 3 是成本最低的路径。除路径 3 中涉及的端口外所有指定端口都被阻止帧通过路径 3 传输。
但是如果路径 3 拥塞或阻塞则选择下一个成本最低的路径路径 1 来执行传输。实现了冗余。通常交换机端口具有多个介于其阻止状态和转发状态之间的状态。
有哪些不同的端口状态
当交换机启动时其端口在被分配为指定端口或转发端口之前会经历多个端口状态。
禁用端口状态在此状态下端口根本不参与转发操作。管理员可以手动禁用 STP 端口。阻塞端口状态端口不参与帧转发因为它位于可能导致交换环路的冗余路径中。端口继续侦听 BPDU并可以根据 BPDU 转换到其他状态。侦听状态在侦听状态下端口继续接收和处理 BPDU如果需要可以切换到阻止状态或学习状态。它不会更新表也不会转发数据框。学习状态在此状态下端口接收 BPDU 并对其进行处理以使用其他交换机的地址更新 STP 表。端口继续不参与帧转发。转发状态端口从网段和其他端口接收帧并将其转发到所需的交换机。在转发状态下端口完全参与 LAN 交换操作。端口还继续接收 BPDU 并更新 STP 表。
端口通过所有状态以达到转发状态大约需要 15-20 秒STP 平衡阻塞端口和转发端口以防止交换环路同时仍启用冗余。
监控STP端口和交换机的工具
OpManager 是一种服务器、网络和虚拟化监控工具可帮助网络管理员跟踪设备性能指标和异常。OpManager特别强调监控交换机包括STP监控您可以查看设备中所有 STP 端口的状态以及优先级、路径开销、端口状态、指定根、根路径开销等信息。
这些全面的信息使您能够发现交换机中的错误、配置错误和中断并主动修复它们。还有一个交换机端口映射器工具可以显示映射中每个端口的状态可以监控其他交换机属性包括CPU和内存等交换机组件的性能交换机可用性以及流量数据。
OpManager还为其他网络设备如服务器路由器台式机工作站打印机等提供全面监控凭借其先进的故障识别和解决功能您可以毫不费力地减少网络问题的 MTTR。
