【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

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