网桥

2025-12-01

网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥。透明网桥是指网桥的存在对于各个LAN上的主机是透明的（即：由网桥来决定路由选择，而LAN上的主机不管路由选择）。透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。

生成树算法

https://www.cnblogs.com/yunjisuanchengzhanglu/p/16587278.html

一、核心问题：网络环路的产生与危害（必懂基础）

1. 环路产生场景

为避免单链路故障导致网络中断，实际部署中会给交换机之间配置冗余链路（如两台交换机A、B之间同时连接两条线缆），但这会直接形成物理环路。

2. 环路危害的具体过程（原文案例拆解）

假设场景：交换机A（0/3口连MAC=11的客户端）、交换机B（0/3口连MAC=22的客户端），A的0/1口与B的0/2口、A的0/2口与B的0/1口分别相连（双链路冗余）。当11给22发送数据时：

  • 交换机A的MAC地址表中无22的记录，因此将数据广播到所有端口（包括0/1和0/2）；
  • 交换机B通过0/2口收到数据，MAC表无22，也广播到所有端口（包括0/1），数据从B的0/1口传回A的0/2口，此时A更新MAC表：11对应0/2口；
  • 同时，A的0/2口发送的数据被B的0/1口接收，B广播后，数据又从B的0/2口传回A的0/1口，A再更新MAC表：11对应0/1口；
  • 数据在两条链路间无限循环，形成双向广播环，产生海量无效流量（广播风暴），最终导致交换机CPU占用率100%、死机。

3. 核心结论

物理冗余是保障网络可靠性的必要手段，但必须通过技术解决环路问题——STP正是为此设计。

二、STP核心定位与工作原理（核心逻辑）

1. 定义

STP（Spanning-Tree Protocol，生成树协议）：通过逻辑手段断开环路，同时保留物理冗余链路，实现“无环通信+故障自动恢复”。

2. 工作原理（原文三交换机案例细化）

假设场景：SWA、SWB、SWC两两相连（形成物理环路），STP的工作过程：

  • 第一步：逻辑断环。STP会自动选中某条链路的一个端口，将其设置为“阻塞状态”（逻辑down，物理链路未断），比如将SWC的0/1口（连接SWA的端口）阻塞，此时网络从“环形”变为“树形”（无环）；
  • 第二步：冗余恢复。若主链路（如SWA与SWB之间的链路）故障，STP会检测到拓扑变化，自动激活之前阻塞的端口（SWC的0/1口），让数据通过SWA→SWC→SWB的路径传输，无需人工干预，保障通信不中断。

3. 核心目标

  • 逻辑上消除网络环路，避免广播风暴；
  • 物理上保留冗余链路，实现故障自动切换。

三、STP算法：无环拓扑构建三步法（重点+难点）

STP的核心是通过算法确定“哪条链路的哪个端口需要阻塞”，三步流程环环相扣，每一步都有明确的优先级规则：

第一步：选择根网桥（Root Bridge）—— 整个网络的“核心交换机”

  • 核心依据：交换机唯一标识符BID（Bridge ID，网桥ID）；
  • BID结构：2字节优先级 + 6字节MAC地址（优先级占比更高，先比优先级，再比MAC）；
  • 优先级规则（华为设备）：
    • 取值范围：0~61440，默认值32768；
    • 配置要求：必须是16的整数倍（如4096、8192、12288），最小值为4096；
  • 选择逻辑：BID最小的交换机成为根网桥；
  • 实例： | 交换机 | 优先级 | MAC地址 | BID（组合后） | 是否为根网桥 | |——–|——–|—————|—————|————–| | SWA | 4096 | 000D.2800.B100 | 4096+000D… | 是（BID最小） | | SWB | 32768 | 000D.2800.B101 | 32768+000D… | 否 | | SWC | 32768 | 000D.2800.B102 | 32768+000D… | 否（MAC更大） |

第二步：选择根端口（Root Port）—— 非根网桥上“最靠近根网桥”的端口

  • 核心定义：根端口仅存在于非根网桥上，用于接收来自根网桥的BPDU信息，是该交换机到根网桥“最优路径”的端口；
  • 选择优先级（按顺序判断，前一项有结果则不看后一项）：
    1. 根路径成本最低：非根网桥到根网桥的所有链路成本之和（带宽越高，成本越低，原文成本表如下）； | 链路带宽（Mbit/s） | 路径成本 | 常见场景 | |——————–|———-|—————-| | 10 | 100 | 早期低速以太网 | | 100 | 19 | 百兆以太网（常用） | | 1000 | 4 | 千兆以太网（常用） | | 10000 | 2 | 万兆以太网 |
      • 实例：SWC到SWA有两条路径：SWC→SWA（100M，成本19）、SWC→SWB→SWA（100M+100M，成本38），因此SWC连接SWA的端口为根端口；
    2. 发送方BID最小：若两条路径成本相同（如SWB有两个端口都连SWA，成本均为19），则比较发送方（SWA）的BID（此处相同，需下一步）；
    3. 发送方端口优先级最低：端口优先级（PID的前8位）取值0~240，默认128，数值越小越优；
    4. 发送方端口ID最小：端口ID=端口优先级+端口编号（如E0/0/1的ID为128.1，E0/0/2为128.2），数值越小越优；
  • 总结：根端口是“非根网桥到根网桥最优路径的入口”。

第三步：选择指定端口（Designated Port）—— 每条链路“负责转发数据”的端口

  • 核心定义：每条链路（两台交换机之间的连接）必须有且仅有一个指定端口（转发数据），另一个端口若未被选为根端口或指定端口，则被设为“阻塞端口”；
  • 选择范围：
    • 根网桥上的所有端口都是指定端口（根网桥是数据分发核心，所有端口都需转发）；
    • 非根网桥上需按规则选择指定端口；
  • 选择优先级（与根端口选择逻辑一致，按顺序判断）：
    1. BPDU中的根网桥ID最小（通常相同，因根网桥唯一）；
    2. 到达根网桥的路径成本最低；
    3. 发送方BID最小；
    4. 发送方MAC地址最小（本质是端口PID最小）；
  • 实例：SWB与SWC之间的链路，SWB的端口到根网桥SWA的成本是19，SWC的端口到SWA的成本是19，此时比较发送方BID（SWB的BID小于SWC），因此SWB的端口为指定端口，SWC的端口被阻塞。

算法最终效果

所有链路仅保留“根网桥→根端口→指定端口”的转发路径，阻塞多余端口，形成无环拓扑；同时阻塞的端口作为冗余，等待主链路故障时激活。

四、BPDU：STP的“信息传递工具”（关键支撑）

1. 定义与核心作用

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥接协议数据单元）：交换机之间交换STP关键信息的“载体”，所有STP算法的判断（根网桥、根端口、指定端口选择）都依赖BPDU中的数据。

2. 核心特性

  • 传输方式：组播发送，固定组播地址为01-80-C2-00-00-00（所有交换机都监听该地址，确保信息互通）；
  • 发送周期：默认每2秒发送一次，用于维持STP拓扑稳定（若某交换机长时间未收到BPDU，会认为链路故障）；
  • 生命周期：BPDU包含Message Age（消息年龄）字段，每经过一个交换机，该值+1；当Message Age > Max Age（20秒），非根网桥会丢弃该BPDU（避免过时信息影响拓扑）。

3. 两种类型（原文重点）

| 类型 | 作用 | 适用场景 | |———————|—————————————|—————————| | 配置BPDU（Configuration BPDU） | 传递STP算法所需信息（BID、路径成本等），用于生成树计算 | 正常拓扑稳定时 | | 拓扑变更通告BPDU（TCN BPDU） | 当网络拓扑变化（如链路故障、端口状态变更）时，通知其他交换机 | 链路故障、端口激活/阻塞时 |

五、STP关键补充：端口状态、计时器、配置（实用知识点）

1. 五种端口状态（原文核心，附对比表）

STP端口的状态决定了其功能，最终仅保留“转发/阻塞/禁用”三种稳定状态，“侦听/学习”为中间过渡态：

端口状态 收发BPDU 学习MAC地址 转发数据 核心作用 稳定态/过渡态
禁用状态（Disable） 否 否 否 端口未启用（人工关闭） 稳定态
阻塞状态（Discarding） 是（仅接收） 否 否 逻辑断环，冗余备份 稳定态
侦听状态（Listening） 是 否 否 接收BPDU，判断拓扑角色 过渡态
学习状态（Learning） 是 是 否 学习MAC地址，准备转发数据 过渡态
转发状态（Forwarding） 是 是 是 正常转发数据，参与通信 稳定态

2. 计时器与端口收敛时间（原文重点）

STP端口从“阻塞态”切换到“转发态”需经历完整的过渡过程，总耗时50秒，由三个计时器控制：

  • Max Age（20秒）：阻塞态持续时间（确认主链路确实故障，避免误切换）；
  • Forward Delay（15秒）：侦听态和学习态各持续15秒（侦听态确认拓扑无环，学习态缓存MAC地址，避免转发时广播风暴）；
  • 收敛时间：阻塞→侦听（20秒）→学习（15秒）→转发（15秒），共50秒（普通STP的固有特性，快速STP可优化）。

3. STP配置与模式（原文实用内容）

  • 默认状态：交换机启动后，STP自动运行（默认普通STP模式），自动选举根网桥、根端口；
  • 手动配置（华为交换机示例）：
    • 手动指定根网桥：stp root primary（优先级自动设为0，最高优先级）或stp priority 4096（自定义优先级，需为16的倍数）；
    • 配置端口优先级：stp port priority 64（端口优先级，需为16的倍数，0~240）；
  • 三种STP模式（原文提及，补充差异）： | 模式 | 特点 | 适用场景 | |————|—————————————|—————————| | 普通STP | 收敛慢（50秒），仅支持单生成树 | 简单小型网络 | | 快速STP（RSTP） | 收敛快（秒级），兼容STP | 中大型网络（需快速恢复） | | 多生成树（MSTP） | 支持多VLAN独立生成树，灵活分配带宽 | 复杂企业网络（多VLAN场景）|

4. 交换机端口编号规则（避免混淆）

  • 思科交换机：模块号/端口号（如E0/1：第0模块第1端口；G1/2：第1模块第2千兆端口）；
  • 华为交换机：板卡号/模块号/端口号（如E0/0/1：第0板卡第0模块第1端口；E1/0/3：第1板卡第0模块第3端口）。

六、应用实例解析（原文案例简化，便于理解）

实例一：四交换机环形拓扑（均为默认优先级32768）

  • 拓扑：SWA（MAC=000D.2800.B100）、SWB（MAC=000D.2805.C100）、SWC（MAC=000D.2810.D100）、SWD（MAC=000D.2811.E100）两两相连；
  • 分析步骤：
    1. 选根网桥：优先级相同，比较MAC地址，SWA的MAC最小→根网桥；
    2. 选根端口：SWB、SWC、SWD的根端口均为“直接连接上一级交换机、到SWA路径成本最低”的端口（如SWB的根端口是连SWA的端口，成本19）；
    3. 选指定端口：根网桥SWA的所有端口为指定端口；非根网桥之间的链路，按BID、端口ID选择指定端口（如SWB与SWC之间，SWB的端口为指定端口，SWC的对应端口阻塞）；
  • 最终效果：SWC与SWD之间、SWB与SWC之间各有一个端口阻塞，形成无环拓扑，冗余链路待命。

七、学习重点梳理（备考/实操核心）

  1. 核心逻辑：STP=“逻辑断环+物理冗余”，解决“环路危害”与“可靠性需求”的矛盾；
  2. 算法三步法：根网桥（BID最小）→根端口（最优路径）→指定端口（每条链路一个），优先级规则必须牢记；
  3. BPDU的作用：STP的“通信工具”，所有判断依赖BPDU数据；
  4. 关键数值：优先级（16的倍数）、路径成本（100M=19）、计时器（Max Age=20s，Forward Delay=15s）、收敛时间=50s；
  5. 端口状态：阻塞态（接收BPDU）、转发态（全功能）、过渡态（侦听/学习）的区别。

优点

扩大网络的物理范围：每个LAN的范围都有限制，使用网桥可突破限制。 提高网络的可靠性：网桥能隔离一个LAN的故障，使之不会扩展到其它LAN。 有助于安全保密：可根据需要将某些部分隔离开来，以防信息被窃。 可以互连不同的LAN

缺点

存储转发增加了时延； 在MAC子层并没有流量控制功能； 具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大； 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

中继器

中继器工作在物理层，用于互连两个相同类型的网段（例如：两个以太网段），主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息的转发。

集线器

集线器作为以太网的集中连接点，它放大接收到的信号并进行广播传输，无过滤、路径检测和交换功能，不同速率的集线器不能级联。Hub是一个共享设备，其实质是一个多端口中继器。

交换机

交换机，也称为交换式集线器，是简化（典型）的网桥，一般用于互连计算机。

路由器

路由器工作在网络层，互连两个或多个独立的相同类型或不同类型的网络：局域网与广域网的互连，局域网与局域网的互连。路由器的主要功能就是进行路由选择。

网关

此设备属于网络层以上的互连设备，用于实现不同协议的网络间的通信。主要有：传输层网关（用于互连两个分别使用不同面向连接传输层协议的计算机）、应用层网关（用于信息格式的转换，例如：电子邮件网关）。