【25软考网工】第三章（4）生成树协议、广播风暴和MAC地址表震荡

christine-rr2025-04-26 9:40

目录

一、生成树协议

1. 生成树技术背景

1）单链路上行存在单点故障

问题本质 ：交换机单链路上行存在单点故障风险，线路和设备均不具备冗余性

故障影响 ：任何链路或设备故障 都会导致网络中断，如PC访问Server时任一中间节点故障都会断网

2）二层环路问题

冗余拓扑与环路关系

解决方案：环形拓扑可解决单点故障（如三台交换机环形连接）

新问题：冗余拓扑会引发二层环路，相比三层环路更危险：

  • 三层环路：可通过路由协议和TTL值（最大255跳）控制风险
  • 二层环路 ：会永久循环传播，无自愈机制，是网络故障的主要诱因
    结果：导致广播风暴、MAC表震荡

3）二层环路问题------广播风暴

形成机制：广播帧（如ARP请求）在环路中被交换机无限泛洪

危害表现：

  • 设备影响：严重消耗CPU资源（利用率飙升）
  • 网络影响 ：大量占用带宽，导致正常业务受阻
    广播风暴现象 :
    网络慢、接口指示灯高速闪烁、CPU使用率高、CLI卡顿、远程管理卡或登录不上。

实验验证 广播风暴

实验设计：

  • 使用三台交换机环形连接（关闭STP功能undo stp enable）
  • PC发送ARP请求触发广播风暴

关键现象：

  • 抓包显示相同ARP报文海量重复（4万+）
  • CPU利用率从20%飙升至30%+
  • 命令行操作延迟明显增加

故障特征
典型表现：

  • 网络响应缓慢/部分用户无法上网
  • 接口指示灯高速闪烁（绿色）
  • 设备CPU高负载
  • CLI操作卡顿，远程登录困难

诊断技巧：

  • 抓包可见大量相同报文循环
  • 区别于ARP攻击（报文内容不同）

应急处理

  • 标准方案：启用STP协议自动阻塞冗余链路
  • 手动处置（当STP失效时）：
    +** 二分法排查**：按端口分组关闭（如先关1-12口，逐步缩小范围）
    • 物理隔离：对无法远程设备采用插拔网线方式
  • 关键注意：接口指示灯变黄通常表示速率协商问题，非环路特征

例题1：二层环路故障现象

正确选项：D （黄灯表示速率/双工协商异常）

排除依据：

  • A/B/C均为广播风暴典型表现
  • 绿灯高速闪烁才是环路特征

延伸知识：

  • 千兆接口降速至百兆可能亮黄灯
  • 厂商差异：部分设备用黄灯表示更高速率（如2.5G）

4）二层环路问题------ MAC地址表震荡

环路引发机制 ：当网络存在二层环路时，交换机会从不同接口重复收到相同数据帧，导致MAC地址表项在多个接口间不断更新。

学习过程异常：

  • 初始状态：SW3未记录目的MAC时进行泛洪
  • 环路传播：SW1/SW2收到帧后既学习源MAC又继续泛洪
  • 震荡形成：SW3从GE0/0/1和GE0/0/2交替收到PC的帧，导致MAC表项在接口1和2之间反复变更

典型表现：PC的MAC地址（如0050-5600-0001）在交换机接口记录中不断切换位置

实验验证 MAC地址表震荡的现象

正常状态特征：

  • 稳定记录：MAC地址固定显示在正确接口（如GE0/0/3）
  • 动态学习：类型标记为dynamic，VLAN默认为1（未划分时）

震荡状态特征：

  • 接口跳变：MAC地址在GE0/0/1和GE0/0/2间频繁切换
  • 刷新异常：display mac-address显示同一MAC在不同接口快速交替
  • 告警提示：系统日志出现"MAC move detected"和"Flapping port"警告

关联现象：

  • ARP风暴：抓包显示大量重复ARP请求（如47000+条记录）
  • 通信故障：ping测试出现100%丢包（Destination host unreachable）

MAC地址表震荡的解决

  • 临时解决方案：

    • 手动断环：通过shutdown命令关闭环路中的一个接口（如GE0/0/2）
    • 效果验证：MAC地址表立即停止震荡，ARP报文停止泛洪

  • 根本解决措施：

    • STP协议：部署生成树协议自动阻塞冗余链路
    • 拓扑优化：合理规划网络架构，避免物理环路形成

  • 诊断技巧：

    • 观察顺序：先查MAC表震荡，再确认ARP风暴
    • 日志分析：重点关注"MAC move detected"告警信息
    • 模拟器注意：真机MAC地址不可修改，但实验环境可调整（如改为5489-9806-0001）

2.冗余性网络环境

1） 冗余网络中的二层环路问题

必要性: 大型网络中的冗余设计必不可少，用于提高网络可靠性

环路现象 : 冗余设计会导致多个物理二层环路，如示例拓扑中可见上、中、下多个环路
三大问题:

  • 广播风暴：环路会导致广播包无限循环
  • MAC地址表震荡：设备无法稳定学习MAC地址
  • 网络性能下降：带宽被无效流量占用

2）解决方案

核心技术: 通过STP（生成树协议）解决

  • 作用原理：逻辑阻塞冗余链路中的部分端口
  • 实现效果：既保持网络冗余性，又消除环路
  • 运行机制 ：通过BPDU报文选举根桥、确定最优路径
    关键优势:
  • 自动检测环路
  • 动态调整网络拓扑
  • 故障时快速启用备份链路

3 .知识小结

知识点 核心内容 考试重点/易混淆点
生成树协议(STP)技术背景 交换机单链路上行存在单点故障问题，冗余拓扑可解决但会引入二层环路风险 单点故障与冗余设计的矛盾关系
二层环路危害 1. 广播风暴：广播报文无限循环; 2. MAC地址表震荡：MAC地址学习端口频繁跳变 广播风暴与MAC地址震荡的关联性
广播风暴现象 1. 网络延迟/部分终端断网; 2. 接口指示灯高速闪烁; 3. 设备CPU利用率飙升; 4. 管理界面卡顿/登录失败 指示灯状态（高速闪烁≠黄灯）
环路排查方法 1. 二分法关端口：分批次关闭端口排查; 2. 抓包特征：相同报文海量重复; 3. 对比ARP风暴（差异：中毒报文内容不同） 二分法操作流程与ARP风暴鉴别
STP核心价值 通过阻塞冗余链路自动破除环路，同时保留故障切换能力 STP与手动关端口的本质区别
实验演示要点 1. 关闭STP后ARP广播风暴实测; 2. MAC地址表跳变观察; 3. 真机与模拟器效果差异 实验中的报文编号观察技巧

一、生成树技术STP

1.生成树基本概念


概念 ：生成树技术(Spanning-tree)在网络中存在二层环路时，通过逻辑阻塞 特定端口，从而打破环路 ，并在网络出现拓扑变更时及时收敛，保障网络冗余性

两个核心功能 ：防止二层环路和保障网络冗余性。

  • 防环机制：通过逻辑阻塞（Block）特定端口来打破网络中的二层环路。
  • 冗余机制：当网络拓扑发生变更时能及时收敛，重新激活被阻塞端口，保证网络连通性。

1）网络出现故障情况

  • 故障响应：当SW1和SW3间链路故障时，STP会重新计算拓扑，将原先阻塞的端口恢复为转发状态。
  • 冗余验证：此过程验证了STP的第二个核心功能------通过拓扑收敛保障网络冗余性。

2）网桥ID(Bridge ID，简称BID）


组成结构 ：桥ID(Bridge ID)共8字节，包含**2字节优先级和6字节MAC地址。**
优先级规范：

  • 默认值：32768
  • 最小值：0
  • 调整步长：4096的倍数（次小值为4096）
    MAC来源 ：使用交换机 背板MAC地址 作为ID的MAC部分。

3）路径开销（Path Cost）

  • ** 基本特性**：
    • 端口量属性，用于STP/RSTP链路选择
    • 路径开销与端口带宽成反比关系
  • 华为标准 ：
    • 默认采用802.1t标准（计算时一般采用802.1d)
    • 可选标准包括802.1d-1998和私有legacy标准
  • 典型值对照 ：
    • 10M：802.1t=2000000，802.1d=100
    • 100M：802.1t=200000，802.1d=19
    • 1000M：802.1t=20000，802.1d=4
    • 10G：802.1t=2000，802.1d=2

2. STP选举操作

四步选举过程：

  • 第一步：根桥选举（选优先级和MAC地址最小的网桥）
  • 第二步：根端口选举（非根桥的端口到根桥最近的端口）
  • 第三步：指定端口选举（先选制定桥，指定桥上为指定端口）
  • 第四步：非指定端口（阻塞端口）确定

1）根桥、根端口、指定端口、非指定端口的选取

第一步：选根桥BID（优先级和MAC地址最小）

选BID最小的

如下图，先看优先级，均为32768无法选出,再看MAC地址，SW1最小
第二步：根端口 （非根桥到根桥最近的端口）

其他网桥到根桥最近的端口，如下图为下图黄色圆标记的接口

100M开销为19，10M开销为100

第三步：每个段选择一个指定端口

每个网段选择一个指定端口；根桥上的接口都是指定端口

选举规则：

  • 特例原则：根桥上的所有端口都是指定端口
  • 段内选举：每个网段选一个指定端口，先选指定桥（到根桥路径开销最小的桥SW2），再选指定端口
  • 判定方法：指定桥上的端口即为该网段的指定端口

实用结论：

  • 根端口的对端必定是指定端口
  • 指定端口的对端可能是根端口或阻塞端口

比较顺序：与根端口选举相同（开销→桥ID→端口ID）

第四步：非指定端口

定义 ：既不是根端口也不是指定端口的端口
状态处理 ：会被阻塞（Blocking）形成逻辑断开
故障切换：当活动链路故障时，阻塞端口会转变为转发状态实现冗余

2）应用案例

1.例题1:接口阻塞

下图中哪个接口会被阻塞？

  • 第一步：选根桥（优先级一样，看MAC地址，选出SW1）
  • 第二步：选根端口RP（SW2与SW1的相连的端口为根端口，SW3与SW1的相连的端口为根端口）
  • 第三步：选指定端口DP（根交换机上的端口都为指定端口；指定桥选SW2，指定桥上的端口为指定端口）
  • 第四步：非指定端口（SW3与SW2相连的端口为非指定端口）
2.例题2:接口带宽变化


特殊变化 ：SW2-SW3链路接口带宽降为10M（开销100）
根桥 ：SW1（MAC地址最小）
根端口重选：

  • SW2选与SW1相连的为根端口
  • SW3到根桥路径：直连100M（开销100） vs 经SW2的两段100M（开销38）
  • SW3选择开销更小的路径（经SW2）

指定端口确认 ：根端口对端（SW2端口）自动成为指定端口
结果：SW3直连根桥SW1的端口被阻塞

3.例题3:四台交换机网络接口阻塞
  • 选根桥：SW1
  • 选根端口RP（SW2、SW3与根桥相连的端口，SW4两边花销一样，桥ID判断得左边端口）
  • 指定端口DP（根桥相对的是指定端口，DP对面是指定端口，SW4-SW3中SW3为指定桥
  • SW4右侧端口为非指定端口

3. 几种生成树协议总结


STP(802.1d) : 传统生成树协议，收敛速度慢(30-50秒)，通过阻塞端口消除环路

RSTP(802.1w): 快速生成树协议，收敛速度快(6秒内)，改进端口状态机制

MSTP(802.1s) : 多生成树协议，支持多个VLAN负载均衡，可同时利用多条链路

应用现状: 目前最常用的是MSTP，因其能有效利用带宽资源

4. 应用案例

1）例题1:网桥ID与根端口

  • 根桥选举: 根据桥ID(BID)最小值原则，数值3最小成为根桥
  • 根端口选择: 比较根路径开销(RPC)，相等时比较发送方桥ID和端口ID。开销：向左2，向右1，向下4
  • 解题技巧: 题目简化了实际BID结构(优先级+MAC地址)，只需理解最小值原则
  • 答案：A,B

2）例题2:网桥ID定义

BID组成: 2字节优先级(默认32768) + 6字节MAC地址

优先级调整:

  • root primary设置为0(最优)
  • root secondary设置为4096(次优)

答案：A,B

3）例题3:根桥判断

  • 根桥选举:
    • root primary强制成为根桥(优先级0)
    • root secondary作为备份根桥(优先级4096)
  • 端口阻塞: 非根桥上非根端口和非指定端口会被阻塞
  • SW1为根桥，接口不会被阻塞;开销一样、桥ID一样、SWA的G0/0/1的端口IP小（PID越小越优先），SWB上的G0/0/2为根端口RP
  • SWB的G0/0/1
  • 答案:C

4）例题4:接口阻塞判断

  • 选举步骤:
    • 选根桥(MAC地址小的S1)
    • 根桥上所有端口都是指定端口(转发状态)
    • 非根桥选择根端口(比较RPC、发送方BID、端口ID)
  • 结果: S2的F0/2端口因比较劣势被阻塞

5）例题5:最早STP标准

  • 协议标准:
    • 802.1d(STP): 最早标准
      +802.1w(RSTP): 快速收敛
    • 802.1s(MSTP): 多实例负载均衡

6）例题6:STP协议定义

工作原理:

  • 交互BPDU报文选举根桥
  • 比较优先级(值越小越优)和MAC地址
  • 默认优先级32768
    协议演进:
  • RSTP实现快速收敛
  • MSTP实现VLAN负载均衡

7）例题7:聚合组配置

关键点:

  • MSTP允许不同VLAN流量走不同路径
  • GVRP配置差异不影响链路聚合
  • 两个接口都可参与转发(负载均衡)

A错误，影响链路聚合的因素：带宽、双工模式

B错误

C错误

D正确

8）例题8:STP描述

错误描述: STP运行在交换机和路由器上(实际仅运行在二层交换机)

正确要点:

  • 最早标准802.1d
  • 默认优先级32768
  • BPDU每2秒发送一次

9）例题9:RSTP说法判断

正确说法: 采用P/A(提议/同意)机制实现快速收敛

错误说法:

  • Discarding状态不能转发流量
  • 不依赖计时器超时机制
  • 优先级小的成为根桥

RSTP改进:

  • 端口状态简化为3种
  • 增加替代端口角色
  • 配置BPDU格式优化

5.知识小结

知识点 核心内容 考试重点/易混淆点
生成树基本概念 通过逻辑阻塞端口打破二层环路，拓扑变更时重新打开阻塞端口保证冗余 两大功能：防环（二层环路）、链路冗余
桥ID（BID） 8字节（2字节优先级+6字节MAC地址），默认优先级32768，最小值0，次小值4096 比较规则：优先级>MAC地址（越小越优）
路径开销（Cost） 与带宽成反比（华为默认802.1t标准），例：10M=100，100M=19，1G=4，10G=2 易错：不同标准开销值不同，但带宽越大开销越小原则不变
生成树选举四步骤 1. 选根桥（BID最小）2. 选根端口（非根桥到根桥最近端口）3. 选指定端口（每网段一个，根桥端口全指定）4. 阻塞非指定端口 根端口判断顺序：开销>对端桥ID>对端端口ID
根端口选举特例 开销相同时：比较对端桥ID；桥ID相同时：比较对端端口ID（128+端口号，越小越优） 关键结论：根端口对端必是指定端口
MSTP多生成树 实现VLAN负载均衡（不同VLAN走不同路径），对比STP/RSTP的链路浪费问题 核心优势：提升带宽利用率
STP协议类型对比 STP（802.1d）：收敛慢（30-50秒） RSTP（802.1w）：快速收敛（6秒内） MSTP（802.1s）：多实例负载均衡 必记标准号：802.1d/w/s
BPDU报文 交互选举根桥的协议报文，包含桥ID、路径开销等信息 选举依据：BPDU中的优先级+MAC地址
优先级配置命令 root primary（优先级调为0），root secondary（优先级调为4096） 默认值：32768
端口状态（RSTP） Discarding（丢弃）、Learning（学习）、Forwarding（转发） 对比STP的5种状态简化
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