■ 任务描述

局域网中常常为了冗余将网络规划为环形拓扑，环形结构能提升可靠性，随之带来的就是广播风暴，如果广播帧无线转发下去，势必导致CPU负载过重，最终会使得局域网中的交换机瘫痪，这时候就会需要一种先进的方法来解决这个问题，需要一种方法阻塞冗余链路，消除路径环路，并且在必要时将冗余链路自动切换为转发状态，恢复网络的连通性，STP就是在这个背景下产生了。

■ 任务相关知识

1、STP的工作原理

STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写。将环路网络修剪成无环路的树型网络。由五个交换机组成的网络如图1所示，为了提升网络之间的可靠性，交换机之间构成了环形拓扑，任何一段物理链路断开都不会影响网络的通信；但是带来的问题是，那些发给所有主机的广播帧永远无法到达目的地，导致会在环路中不断地转发，最终会导致网络阻塞。

图1 交换机构成的环形拓扑

解决问题的办法就是破除环路，网络科学家设想用一种逻辑的方法将物理的环路切断，这就是生成树的思想，如图2所示。

图2 STP修剪后的树形网络

图2中经STP修剪后的树形网络，生成树的树根是一个称为根桥（ROOT）的交换机，由根桥开始，逐级发散形成一棵树，交换机根据端口的配置选出一个端口并把其他的端口阻塞，消除环路，且当前活动的链路出现故障时，会激活阻塞的端口。

2、桥和端口

生成树协议定义了一个数据包，叫做桥协议数据单元BPDU（Bridge Protocol Data Unit），网桥用BPDU来相互通信，并用BPDU的相关机能来动态选择根桥，生成树的确定首先要选择树根节点，然后确定最短路径，最后阻塞冗余链路。在生成树的选举和计算当中，要用到几个重要的概念如下：

（1）根桥（ROOT）：网络中会选择一个交换机为根桥，也称之为根交换机，可以理解为生成树的树根。根桥依据桥ID(BID)进行选举，比较后桥ID小的选举为根桥，如图3中SWA被选举为根桥。

桥ID：桥优先级+MAC地址

图3中SWA的桥ID为0.MACA，SWB的桥ID为8192.MACB，SWC的桥ID为32768.MACC，比较后得出SWA的优先级最小，因此不用比较MAC地址，会自动选举SWA为根桥。

（2）指定桥（Designated Bridge）：与根交换机处在同一个局域网中，且位于与根交换机的最短路径中，如图3中SWB和SWC为指定交换机，也称指定桥。

（3）根端口（Root Port）：所有非根交换机都有一个根端口，根端口提供最短路径到根交换机，如图3中SWB、SWC与根交换机相连的端口即根端口。

（4）指定端口（Designnated Port）：指定交换机与局域网相连的端口，如图3中SWB与SWC相连的端口，指定端口能转发数据和BPDU；

（5）Alternate端口：冗余端口，处于阻塞状态，如图3中SWC与SWB相连的端口，Alternate端口只接收BPDU，不转发。

图3 STP拓扑中交换机的角色

选举出根桥后，根端口和指定端口如图3所示，正常时Y端口会持续收到X发出的BPDU数据；当SWB与SWA之间的链路端掉后，此时X端口的重要性就突显出来了，X端口会持续向Y发送BPDU，此时Y端口意识到可能要成为指定端口或者根端口，就会从非指定端口的BLOCKING状态转到LISTENING状态，进而可以发送BPDU（此时还不能发送数据帧）；Y端口变为LISTENING状态后可以参与指定端口、根端口的选举，继而从BLOCKING>LISTENING>LEARNING>FORWARDING状态，依据选举过程，A会变为根端口，B会变成指定端口，从而完成了网络链路的冗余，又破除了交换机的环路。

3、路径开销（Path Cost）

路径开销用于衡量桥与桥之间路径的优劣，STP中每条链路都具有开销值，路径开销等于路径上全部链路开销之和，不同接口类型的开销如图4所示。

图4 STP中的路径开销

由表可知，图4中1Gb/s的接口路径开销为20,100Mb/s的接口路径开销为200，开销越小，意味着最优路径。

■ 任务完成步骤

1、网络拓扑规划

根据任务需求，简化拓扑结构，三台交换机组成一个环形拓扑如图5所示。

图5 交换机STP配置拓扑图

要求：

（1）开启生成树协议STP，观察相关现象；

（2）配置STP，使得SW1为STP主根，SW2为次根，并且SW3的GE0/0/23被Block；

（3）在交换机上查看STP配置状态。

2、开启SW1、SW2、SW3的STP协议

开启交换机的STP协议如下：

[SW1]stp mode stp

[SW1]stp enable

[SW2]stp mode stp

[SW2]stp enable

[SW3]stp mode stp

[SW3]stp enable

在完成上述配置后，STP开始工作，并开始选举根桥（ROOT），三台交换机中，STP桥ID（桥优先级+桥MAC）最小的交换机将成为本交换网络的根桥。三台交换机开启STP后的状态如图6、图7、图8所示。

图6 SW1的STP状态

图7 SW2的STP状态

图8 SW3的STP状态

从图6、图7、图8可以看出，三个交换机中，SW1是根桥，交换机SW2的G0/0/24为根端口，交换机SW3的G0/0/22为根端口。

所有的交换机默认的桥优先级为32768，最小背板MAC的交换机SW1成为了网络的根桥，显然带有不可控性，在实际的网络部署中，需手工指定一台设备成为ROOT，从而保证生成树计算的稳定性。

为了保证生成树的稳定性，需手工指定SW1成为交换网络的主根桥，SW2成为本交换网络的次根桥，检测到SW1出现故障后，SW2替代它成为网络的根桥。

SW1上增加的配置如下：

[SW1]stp root primary

SW2上增加的配置如下：

[SW2]stp root secondary

3、测试与验证

完成上述配置后，查看交换机SW1的STP配置如图9所示：

图9 查看SW1的STP状态

从输出的信息我们得知，本交换机的桥ID为0：4c1f-cc3e-522e，其中0为交换机的桥优先级，最小值也是最优的值。4c1f-cc3e-522e是本机的背板MAC地址。而上述输出的信息中，ROOT的MAC也是4c1f-cc3e-522e，表明本交换机就是网络的根桥，请大家自己查询SW2和SW3的STP状态信息。

接下来查阅SW1、SW2和SW3的端口状态（display stp brief），如图10所示。

图10 交换机配置STP后端口状态

从图10可以看出，交换机SW1的两个端口都为指定端口，SW2的G0/0/23为指定端口，G0/0/24为根端口，SW3的G0/0/22为根端口，G0/0/23为阻塞端口，这是因为这个接口到达根桥SW1的开销最大。

怎么看接口的开销呢？命令如下。

[SW3]display stp interface GigabitEthernet 0/0/23

图11 查看交换机的接口开销

如果希望被阻塞的不是SW3的GE0/0/23口，而是SW2的GE0/0/23口呢？可将GE0/0/22 的接口COST调大，使得这个接口距离根桥SW1的开销更大。因此可在SW3增加配置如下：

[SW3] interface GigabitEthernet 0/0/22

[SW3-GigabitEthernet0/0/22] stp cost 300

查询SW1、SW2和SW3的端口状态（display stp brief），如图12所示。

现在假如SW1和SW3之间的链路断开，如图13所示，我们再来看下交换机的端口状态。

[SW3-GigabitEthernet0/0/23]int g0/0/22

[SW3-GigabitEthernet0/0/22]shutdown

图13 环路中一条链路断开

查阅SW1、SW2和SW3的端口状态（display stp brief），如图14所示。

图14交换机配置STP后端口状态

从图14可以看出，G0/0/23端口由阻塞端口转为根端口，可以进行数据转发，保证网络的可靠性。

■ 任务总结

在任务实施当中，启动STP协议后，需要人为判断和指定哪个交换机为根桥，并要验证STP是否生效，检验交换机的指定端口、阻塞端口是否正常。

■ 任务拓展

完成如图15所示的STP配置，4台交换机组成的拓扑如图15所示。

要求：

（1）开启生成树协议STP，观察相关现象；

（2）配置STP，使得SW4为STP桥根；

（3）在交换机上查看STP配置状态。

图15 交换机STP配置拓扑图