通信工程师考试培训生成树协议

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7.3 生成树协议

生成树协议（STP）是由Sun微系统公司工程师拉迪亚？珀尔曼（Radia Perlman）博 士发明的。使用珀尔曼博士发明的这种方法能够达到二层路由的理想境界：冗余和无环路 运行。

如果不采用生成树协议，每一台交换机将无限地复制它们收到的第一个数据包，直 到内存耗尽和系统崩溃为止。在二层，没有任何东西能够阻止这种环路的事情发生。生 成树协议在当前可用的连接都有效时关闭一个或者多个冗余连接，而在当前连接出现故 障后，再启用这些被关闭的冗余连接。生成树协议决定使用哪一个连接完全取决于网络 的拓扑结构。

生成树协议拓扑结构的思路是，二层网络设备网桥能够自动发现一个没有环路的拓扑结 构的子网，也就是一个生成树，树状的结构是不会出现环形的。生成树协议还能够确定有足 够的连接通向这个网络的每一个部分。它将建立整个局域网的生成树。当首次连接网桥或者 发生拓扑结构变化时，网桥都将进行生成树拓扑的重新计算。

当一个网桥收到某种类型的“设置信息”（一种特殊类型的桥接协议数据单元，BPDU） 时，网桥就开始从头实施生成树算法。这种算法从根网桥的选择开始。根网桥（rootbridge） 是整个拓扑结构的核心，顾名思义，它处于这个“生成树”的根部，所有的数据实际上都 要通过根网桥。在手工设置根网桥时要特别注意。对于思科设备来言，其根网桥的选择过 程暴露出一些问题，就是过分简单化。思科硬件通常使用最低的MAC地址，具备这些地 址的设备通常是网络中最陈旧的设备，因而其交换速度常是最慢的，而从根网桥在网络中 的位置看，它负荷却最重。生成树构建的下一步是让每一个网桥决定通向根桥的最短路径， 这样各网桥就可以知道如何到达这个“中心”.这一步会在每个局域网进行，它选择指定的 网桥，或者与根桥最接近的网桥。指定的网桥将数据从局域网发送到根桥。最后一步是每 个网桥要选择一个根端口。根端口是“用来向根桥发送数据的端口”.注意，一个网桥上的 每一个端口，甚至连接到终端系统（计算机）的端口，都将参加这个根端口选择，除非将 端口设置为“忽略”.

上面就是生成树算法的过程。但是，这还不能解释生成树在现实世界中实际的功能。但 这种计算是破坏性的。要进行这种计算，网桥必须停止所有的通信。网桥要经过一系列的测 试和学习阶段，只有在拓扑结构建立起来之后才开始发送数据。网桥只有在拓扑机构改变的 时候或者网桥得到一个BPDP包时才会进行，事实上，这种计算发生的频度很高。

当一个物理连接的网桥新网桥连线时，它将发送重新设H BPDU,其他连接的设备将进 照施行》当生成树协议开始计算的时候。所有的通信都要停止大约50s.这些时间可以说是 物有所值，因为这被限制在一个很短的停机时间内。如果交换机被挤暴，或者缺少多余的路 径，将会出现一直的停机。

另外，很多现代厂商已经实现了快速生成树协议，这是生成树协议的一个改进版本。它 更加注意在重新计算拓扑时的开销，并且与老版本的协议兼容。在大多数情况下，它可以把 以前多达50s的计算时间缩短到不足3s.

启用生成树功能可以通过多个连接把两个网桥连接在一起，并且不产生环路。如果连接 之中的一个网桥坏了，可以绕过这个网桥，使用另一个网桥。这个工作原理是虽然现用的交 换机封锁其备用的连接，但是，它默默地监听BPDU更新并且仍然知道哪一个连接通向根桥。 这就是说，如果进行了适当的设置，如果其中一个物理连接碰巧是-条虚拟局域网trunk线， 会出现什么情况呢？如果只有一个运行的生成树实例，这个生成树可能会发现_k中的一 个网络不应该使用这个连接（turnk端口汇聚将多条物理连接汇聚为一个带宽更大的逻辑连 接）。除了关闭整个连接之外，没有其他的选择。

对于每一个虚拟局域网一个生成树协议（PVST/per-VLAN spanning trees）的情况，当启 用这项功能的时候，一个网桥将为该网桥上的每一个虚拟局域网运行一个生成树实例。如果 一个trunk连接包含虚拟局域W丨、2和3,它可以决定虚拟局域网1和2不能使用哪条路径， 但是仍然允许虚拟局域网3使用这条路径。在复杂的网络中，还有许多虚拟局域网3只有一 个出口的情况，这可能是因为管理员要限制虚拟局域网3访问的范围。如果不使用PVST, 而且trunk端U被生成树封锁，这个网桥上的虚拟局域网3将失去与其局域网的其他方面的 连接。建议使用PVST.

发送BPDU数据的任何端口都能够引起网络中断。这也包括运行ettercap软件和其他非 法程序的计算机。一定要在所有的端口启用类似于思科的“BPDU-Guard”这样的技术来封锁 BPDU数据包。这些BPDU数据包不仅能够引起生成树协议重新进行计算，而且一台计算机 也可以参加投票并且赢得这个选择。

小结：

生成树协议提供一种控制环路的方法。采用这种方法，在连接发生问题的时候，以 太网能够绕过出现故障的连接。

生成树中的根桥是一个逻辑的中心，并且监视整个网络的通信。最好不要依赖设备 的自动选择去挑选哪一个网桥会成为根桥。？生成树协议重新计算的过程复杂：恰当地设置主机连接端口（这样就不会引起重新 计算），推荐使用快速生成树协议。

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