路由和交换技术（第2版21世纪高等学校物联网专业规划教材）

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第3章生成树协议 交换机工作原理要求交换机之间不允许存在环路，但树形结构交换式以太网的可靠性存在问题，一旦网络中某段链路或某个交换机发生故障，会导致一部分终端无法和网络中其他终端通信。生成树协议允许设计一个存在冗余链路的网络，但在网络运行时，通过阻塞某些端口使整个网络没有环路。当某条链路或某个交换机发生故障时，通过重新开通原来阻塞的一些端口，使网络终端之间依然保持连通性，而又没有形成环路，这样，既提高了网络的可靠性，又消除了环路带来的问题。 3．1生成树协议的作用 网桥转发MAC帧机制要求网桥之间不允许存在环路。但树形结构的以太网又缺乏容错功能。生成树协议(Spanning Tree Protocol，STP)就是一种既允许通过在网桥之间增加环路使网络具有容错功能，又能在网络工作时通过阻塞网桥端口使网络成为树形结构的机制。 3．1．1环路引发广播风暴 网桥在没有完全建立转发表之前，以广播方式转发MAC帧的机制对网桥之间的连接方式带来很大限制。图3．1是两个网桥之间存在环路的连接方式，这种连接方式会给MAC帧传输带来一些问题。 图3．1网桥之间存在环路的连接方式 假定网桥1和网桥2中的转发表还没有学习到终端B的MAC地址，当终端A向终端B发送MAC帧时，网桥1和网桥2的端口1均收到该MAC帧，由于网桥1和网桥2的转发表中均没有和终端B的MAC地址匹配的转发项，网桥1和网桥2又都从端口2将该MAC帧发送出去(广播方式)。同样，网桥1端口2通过争用共享媒体发送的MAC帧被网桥2的端口2收到，而网桥2端口2通过争用共享媒体发送的MAC帧又被网桥1的端口2收到。此时，虽然终端B已经重复两次收到该MAC帧，但网桥1和网桥2仍然又通过端口1将该MAC帧发送出去(广播方式)。使得该MAC帧在由网桥1、网桥2构成的环路内不停地兜圈子，白白浪费了网络带宽。导致该问题发生的罪魁祸首就是网桥之间存在的环路，环路引发了广播风暴。 环路除了引发广播风暴外，还会造成转发表的错误，当图3．1中网桥1和网桥2通过端口1接收到终端A发送的MAC帧时，网桥1和网桥2在转发表中建立将终端A的MAC地址MAC A与端口1绑定在一起的转发项。但当网桥1和网桥2再次通过端口2接收到该MAC帧时，将转发项中与MAC A绑定的端口由端口1改变为端口2，如果此时终端B向终端A发送MAC帧，网桥1和网桥2将因为该MAC帧的输入端口与转发表指定的输出端口相同而丢弃该MAC帧。当然，随着终端A发送的MAC帧不断地在由网桥1、网桥2构成的环路内兜圈子，网桥1和网桥2转发表中MAC A匹配的转发项的转发端口也在不断地发生变化。 3．1．2树形网络的弱可靠性 为了消除因为环路引发的广播风暴，用网桥互连而成的网络中，要求任何两个终端之间只允许存在一条传输路径。在设计网络时做到这一点并不难，可以设计一个树形结构的网络，终端为树的叶结点，从树根到任何叶结点之间不容许有任何环路存在(只允许有一条传输路径)，这样的树形结构网络如图3．2所示。但这种网络结构的可靠性不高，任何一段链路发生故障，就有可能使一部分终端无法和网络中的其他终端通信。例如图3.2中网桥2连接网桥3的链路一旦发生故障，网桥3连接的终端将无法和网桥1连接的终端通信。因此，树形结构网络的可靠性不高。 图3．2树形结构网络 3．1．3生成树协议的由来和发展 是否能够设计这样一种网络，它存在冗余链路，但在网络运行时，通过阻塞某些端口使整个网络没有环路，当某条链路因为故障无法通信时，通过重新开通原来阻塞的一些端口，使网络终端之间依然保持连通性，而又没有形成环路，这样，既提高了网络的可靠性，又消除了环路带来的问题。生成树协议就是这样一种机制，图3．3就是描述生成树协议作用过程的示意图。 原始网络结构如图3．3(a)所示，网桥之间存在环路，以此提高网络的可靠性。STP阻塞形成环路的端口后，网络结构变成图3．3(b)所示的以根网桥为树根的树形结构，这种由生成树协议构建的树形结构称为生成树。但一旦网桥之间链路发生故障，例如图3．3(c)中的网桥4和网桥5、网桥5和网桥7之间链路发生故障，STP通过重新开通原来阻塞的一些端口，使网桥之间依然保持连通性，如图3．3(d)所示。 STP经过不断发展，衍生出快速生成树协议(Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP)和多生成树协议(Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP)。 "路由和交换技术（第2版）着重培养学生设计、实施校园网和企业网的能力；研发交换机和路由器的能力；分析、设计和实现相关算法和协议的能力。 在实际网络环境下深入讨论以太网和互连网原理、算法、协议及各协议间的相互作用过程，重点剖析主流网络技术的工作原理和数据传输机制，用大量案例培养读者的实际应用技能。 通过配套的实验教材《交换和路由技术实验及实训》，读者可以在Cisco Packet Tracer软件实验平台上完成教材内容涵盖的全部实验 "