以太网和环路成因 | AI生成和翻译
问题：什么是以太网，为什么以太网中会发生环路？
答案：
什么是以太网？
以太网是当今有线局域网 (LAN) 中最常用的技术。它定义了设备（计算机、交换机、路由器等）如何通过物理电缆（最初是同轴电缆，现在主要是双绞线铜缆或光纤）进行通信。以太网主要在 OSI 模型的第 1 层（物理层）和第 2 层（数据链路层）运行，并使用 MAC 地址在广播域内传递帧。
以太网简单来说就是使用以太网标准 (IEEE 802.3) 构建的网络。在现代网络中，它几乎总是由以太网交换机互连终端设备组成。
为什么以太网中会发生环路？
在大多数企业或数据中心设计中，环路并非意外的错误配置，它们是为冗余和高可用性而特意创建的。原因如下：
- 冗余和容错
如果单个交换机或链路出现故障，您希望流量能自动选择备用路径，从而使网络保持正常运行。
拓扑示例：
- 两个或多个交换机通过多条链路连接（例如，交换机 A ↔ 交换机 B 和交换机 A ↔ 交换机 C ↔ 交换机 B）创建并行路径。
- 这形成了物理环路，同时提供了备用路由。
- 创建环路的常见设计场景
- 具有多个上行链路的核心/汇聚/接入层
- 双宿主机服务器（连接到两台交换机）
- 数据中心中的网状或部分网状拓扑
- 当有人将跳线的两端都插入同一台交换机，或在交换机之间创建电缆环路时造成的意外环路
为什么环路在以太网（第 2 层）中是个问题？
与第 3 层（IP 路由）不同，纯第 2 层以太网交换没有 TTL 或等效机制，因此当存在环路时，会发生以下情况：
- 广播风暴：广播帧（例如 ARP 请求）进入环路，被每个交换机无休止地转发，从而耗尽所有带宽。
- MAC 地址表不稳定：交换机不断地切换它们认为某个 MAC 地址所在的端口，因为同一帧会从多个端口到达。
- 重复帧：具有未知目的地的单播帧也会永远循环，目的地可能会收到数百或数千个副本。
这可以在几秒钟内使整个网络段瘫痪。
STP 如何解决环路问题
生成树协议 (STP) 允许物理环路为了冗余而存在，但通过以下方式在逻辑上断开环路：
- 选举一个根桥
- 为每个交换机计算到根的最短路径
- 将冗余端口置于阻塞状态（它们仍然接收 BPDUs 但不转发数据帧）
因此，流量在无环路的逻辑树中流动，而备用路径在链路故障时仍可用于故障转移备份（在经典 802.1D STP 中，收敛大约需要 30-50 秒；RSTP 等新版本要快得多）。
简而言之： 以太网网络有意设置环路以实现弹性，但如果没有 STP（或 RSTP、MSTP 等较新的替代方案，或 TRILL/SPB 等技术，或简单的第 3 层路由），这些环路将通过广播风暴摧毁网络。STP 将物理环路拓扑转换为逻辑上无环路的树。