生成树协议概述 | AI生成和翻译

Home 2025.12 English 中文

---

问题：什么是生成树协议 (STP)？您能提供一个全面的介绍吗？

答案：

生成树协议 (STP) 是一种在 IEEE 802.1D 中定义的第 2 层网络协议，用于防止通过冗余链路构建的以太网网络中出现环路。环路非常危险，因为它们会导致广播风暴、MAC 地址表不稳定，并可能在几秒钟内使整个交换网络瘫痪。STP 通过在保持完全连接的同时自动禁用冗余路径来解决此问题，从而创建一个逻辑上无环路的树形拓扑，该拓扑“跨越”网络中的所有交换机。

关键概念和目标

• 目标：确保第 2 层域中任意两个节点之间只有一条逻辑路径，同时允许物理冗余以实现容错。
• 当链路或交换机发生故障时，STP 会自动重新配置拓扑（收敛）以使用以前被阻塞的路径。
• 对终端设备（PC、服务器等）透明操作——它们只看到一条活动路径。

STP 的核心组件（原始 802.1D）

1. Bridge ID (BID) 8 字节：2 字节 Bridge Priority（默认 32768）+ 6 字节 MAC 地址。 BID 越低，成为 Root Bridge 的可能性越大。

2. Root Bridge 整个生成树拓扑的“参考点”。 所有其他交换机都计算其通往 Root 的最佳路径。 每个网络（或在后续版本中每个 VLAN）只有一个 Root Bridge。

3. Path Cost 遍历链路的成本，基于带宽（IEEE 802.1D-1998 值）：
   • 10 Mbps → 100
   • 100 Mbps → 19
   • 1 Gbps → 4
   • 10 Gbps → 2 （802.1t 中的现代“短模式”使用较小的数字：1G = 20 000，10G = 2 000 等）
4. Port Roles
   • Root Port (RP)：每个非根交换机上通往 Root Bridge 的最佳路径（最低累计路径成本）。每个交换机只有一个（Root 除外）。
   • Designated Port (DP)：每个 LAN 网段上向 Root 转发流量的端口。每个网段只有一个。
   • Blocked Port (Alternate/Backup)：所有其他端口——它们侦听但不转发任何流量（防止环路）。
5. Port States（原始 802.1D – 收敛非常慢）
   • Blocking → Listening → Learning → Forwarding（总共 20-50 秒）
   • Disabled

STP 选举和操作过程

1. 每个交换机最初都认为自己是 Root，并每 2 秒（Hello Time）从所有端口发送 Bridge Protocol Data Units (BPDUs)。
2. 当交换机收到一个更“优”的 BPDU（更低的 Root BID，或相同的 Root 但更低的成本/发送者 BID/端口优先级）时，它停止声明自己是 Root，并开始转发该更“优”的 BPDU。
3. Root Bridge 选举：最低的 BID 获胜。决胜局是最低的 MAC 地址。
4. 每个非根交换机选择：
   • 一个 Root Port（到 Root 的最低成本路径）
   • 它连接到的每个网段的 Designated Ports
   • 所有剩余端口变为 Blocked
5. 拓扑变化通知 (TCN) 过程通知 Root，然后 Root 缩短 MAC 地址老化时间以实现更快恢复。

多年来的主要改进

版本	年份	关键功能	收敛时间
原始 STP (802.1D)	1990 → 1998	基本环路预防，慢速端口状态	30-50 秒
Rapid STP (RSTP, 802.1w)	2001	Alternate/Backup 端口，提议/协议，快速转换	< 1-3 秒
Per-VLAN STP (PVST/PVST+)	Cisco	每个 VLAN 一个 STP 实例	与基础 STP 相同
Rapid PVST+	Cisco	每个 VLAN 的 RSTP	亚秒级
Multiple STP (MSTP, 802.1s)	2002	将多个 VLAN 映射到少数实例，可与 RSTP 互操作	亚秒级

RSTP (802.1w) 的主要增强功能

• 只有三种端口状态：Discarding、Learning、Forwarding（Blocking+Listening+Disabled 合并为 Discarding）
• 拓扑变化时端口可以立即转换
• 用于即时 Designated 端口激活的 Proposal/Agreement 握手
• 明确定义了 Backup 和 Alternate 端口角色
• 集成了 UplinkFast、BackboneFast 和 PortFast 功能

常见的扩展和功能（主要是 Cisco）

• PortFast – 立即将接入端口置于 Forwarding 状态（针对终端设备）
• BPDU Guard – 关闭收到 BPDU 的 PortFast 端口（防止流氓交换机）
• BPDU Filter – 停止发送/接收 BPDU（很少使用）
• Root Guard – 如果收到更“优”的 BPDU，阻止端口成为 Root Port
• Loop Guard – 如果 BPDU 停止到达，阻止端口进入 Forwarding 状态

示例拓扑（简单）

         [SW1 - Root] 
        /    1G    \
   1G /            \ 1G
[SW2]              [SW3]
   \                /
    \   100M       /
     [SW4]------[SW5]

SW1 将成为 Root（假设 BID 最低）。 SW2 和 SW3 连接到 SW1 的端口将是 Root Port。 SW2-SW4-SW5-SW3 链路将具有最高成本路径，因此该网段上的一个端口（可能在 SW4 或 SW5 上）将被阻塞。

STP 计时器汇总表（默认）

计时器	默认值	含义
Hello Time	2 秒	BPDU 传输间隔
Forward Delay	15 秒	处于 Listening + Learning 状态的时间（传统）
Max Age	20 秒	在超时之前保留旧 BPDU 信息的时间
Message Age	递增	收到 BPDU 中的 Age 字段

在现代网络中，几乎所有人都使用 Rapid STP (802.1w) 或其 Cisco 变体（Rapid PVST+、MSTP），因为经典 STP 在发生故障后收敛时间太长。

STP 是以太网网络中第 2 层冗余的基础。即使有更新的技术（TRILL、SPB、带有 EVPN 的 VXLAN），理解经典和快速 STP 对任何网络工程师来说仍然至关重要。

参考文献：

• IEEE 802.1D-2004 Standard
• IEEE 802.1w-2001 (Rapid Spanning Tree Protocol)
• IEEE 802.1Q-2018 (includes MSTP)
• Cisco Press – “CCNP SWITCH 300-115 Official Cert Guide” (Chapters on STP)

---

Back

x-ai/grok-4.1-fast

Donate