生成树协议的环路保护

环路保护的工作原理是什么？

通过交换称为桥接协议数据单元 （BPDU） 的特殊帧类型，支持生成树拓扑中的无环路网络。在交换机接口上运行的对等 STP 应用程序使用 BPDU 进行通信。最终，BPDU 交换将确定哪些接口会阻止流量（防止环路），哪些接口将成为根端口和转发信息流。

但是，如果接口停止从分段上的指定端口接收 BPDU，阻塞接口可以错误过渡到转发状态。当交换机或其邻接方之间出现硬件错误或软件配置错误时，可能会出现此类过渡错误。

启用环路保护时，生成树拓扑会检测根端口和被拦截的端口，并确保两者都能继续接收 BPDU。如果支持环路保护的接口停止从其指定端口接收 BPDU，则会对此接口上的物理连接问题做出响应。它不会将接口转换为转发状态，而是将其转换为环路不一致的状态。接口恢复，然后在收到 BPDU 后立即过渡到生成树阻塞状态。

STP 协议上的环路保护优势

默认情况下，停止接收桥接协议数据单元 （BPDU） 数据帧的生成树协议接口将过渡到指定端口（转发）状态，从而形成一个潜在的环路。

什么操作会导致环路？

生成树协议家族负责打破具有冗余链路的桥接网络中的环路。但是，硬件故障会造成转发环路（STP 环路），并导致重大网络中断。生成树协议通过阻止端口（接口）来中断环路。但是，当受阻的端口错误过渡到转发状态时，会发生错误。

理想情况下，只要已连接 LAN 分段存在到达根桥的高级替代路径，生成树协议桥接端口就会被阻止。此指定端口通过从该端口上的对等方接收高级 BPDU 来确定。当其他端口不再接收 BPDU 时，生成树协议会认为拓扑是无环路的。但是，如果受阻或备用端口进入转发状态，这将创建一个环路。

当 BPDU 未到达时，环路保护可以做些什么？

为了防止生成树实例接口将未收到的 BPDU 解释为担任指定端口角色的“误报”情况，您可以配置以下环路保护选项之一：

• 如果生成树实例接口在超时间隔期间未收到 BPDU，配置路由器以引发报警情况。

• 如果接口在超时间隔期间未收到 BPDU，则配置路由器以阻止生成树实例接口。

注意：

生成树实例接口环路保护已为接口上的所有生成树实例启用，但仅对停止接收 BPDU 的实例或报警。

何时应使用环路保护？

您可以配置生成树协议环路保护，以提高第 2 层网络的稳定性。我们建议您仅在非指定接口（如根接口或备用接口）上配置环路保护。否则，如果在指定链路的两侧配置环路保护，则某些 STP 配置事件（例如，将根桥优先级设置为拓扑中具有许多环路的低劣值）可能导致两个接口都过渡到阻塞模式。

我们建议您在有机会成为 root 或指定端口的所有交换机接口上启用环路保护。环路保护在整个交换网络中启用时最有效。启用环路保护时，您必须至少配置一个操作（日志、块或两者兼有）。

注意：

接口可配置为环路保护或根保护，但不能用于两者。

如果不使用环路保护，会发生什么情况？

默认情况下（即未配置生成树协议环路保护），停止接收 BPDU 的接口将承担指定端口角色，并可能导致生成树协议环路。

了解桥接环路

要了解桥接环路，请考虑四个交换机（或桥接）连接到四个不同的子节（第 i、ii、iii 和 iv 部分），其中每个子节点都是网络节点的集合（请参阅 图 1）。为了简化，第一节和第二节部分组合在一起，形成第 1 节。同样，第三节和第 4 节组合成第 2 节。

交换机通电后，桥接表为空。如果在子节中，我尝试将单个数据包包 1 发送至子节 iv 中的用户 D，则所有处于侦听模式的交换机都会接收数据包。交换机在各自的桥接表中输入，如下表所示：

表 1：交换机在相应的桥接表中输入条目

桥 1 ID |面向端口的方向	桥 2 ID |面向端口的方向	桥 3 ID |面向端口的方向	桥 4 ID |面向端口的方向
数据包 1 |第 1 节	数据包 1 |第 1 节	数据包 1 |第 1 节	数据包 1 |第 1 节

此时，交换机不知道子节在哪里，数据包会转发至除源端口之外的所有端口（导致数据包泛滥）。在此示例中，第 1 节节发送数据包后，交换机会在面向第 1 节的端口上接收数据包。因此，他们开始通过面向第 2 节的端口转发数据包。哪台交换机获得发送数据包的第一次机会取决于网络配置。在此示例中，假设 Switch 1 先传输数据包。因为它从第 1 节收到数据包，所以会将数据包泛滥至第 2 节。同样，同样处于侦听模式的交换机 2、3 和 4 从交换机 1（最初从第 1 节发送）接收到面向第 2 节的端口的相同数据包。他们随时会使用不正确的信息更新桥接表，如下表所示：

表 2：使用错误信息更新的桥接表

桥 1 ID |面向端口的方向	桥 2 ID |面向端口的方向	桥 3 ID |面向端口的方向	桥 4 ID |面向端口的方向
数据包 1 |第 1 节	数据包 1 |第 2 节	数据包 1 |第 2 节	数据包 1 |第 2 节

因此，将创建一个环路，因为收到第 1 节和第 2 节的数据包相同。如 图 1 所示，交换机 1 具有数据包来自第 1 节第 i 节中的数据包信息，而所有其他交换机的信息都不正确，即同一数据包来自第 2 节。

当交换机 2 有机会传输原始数据包时，整个过程将重复。交换机 2 从第 1 节接收原始数据包，并将同一数据包传输到第 2 节。最终，仍然不知道 iv 子节所在的交换机 1 更新了桥接表，如下表所示：

表 3：交换机 1 更新其桥接表

桥 1 ID |面向端口的方向	桥 2 ID |面向端口的方向	桥 3 ID |面向端口的方向	桥 4 ID |面向端口的方向
数据包 1 |第 2 节	数据包 1 |第 2 节	数据包 1 |第 2 节	数据包 1 |第 2 节

在复杂的网络中，此过程可快速导致巨大的数据包传输周期，因为相同的数据包会重复发送。

STP 如何帮助消除环路

生成树协议可关闭可创建环路的其他路由，从而帮助消除网络中的环路。如果主路径被停用，则阻止的路由将自动启用。

要了解 STP 在消除桥接环路方面遵循的步骤，请考虑以下示例，其中三台交换机连接以形成简单网络（请参阅 图 2）。为了保持冗余，每个设备之间存在一个以上的路径。交换机相互通信，方法是使用每 2 秒发送一次的桥接协议数据单元 （BPDU）。

注意：

BPDU 是由桥接 ID、桥接端口、桥接端口优先级、路径成本等组成的帧。BPDU 以组播 MAC 地址 01：80：c2：00：00：00 发送。BPDU 可分为三种类型：配置 BPDU、拓扑更改通知 （TCN） BPDU 和拓扑更改确认 （TCA） BPDU。

要消除网络环路，STP 在此示例网络中执行以下步骤：

1. 选择根桥（或交换机）。 要选择 root 交换机，STP 使用桥接 ID。桥接 ID 长度为 8 字节，由两部分组成。第一部分是 2 字节的信息，称为桥接优先级。默认桥接优先级为 32，768。在此示例中，默认值用于所有交换机。其余 6 个字节由交换机的 MAC 地址组成。在此示例中，Switch1 选择为 root 交换机，因为它具有最低的 MAC 地址。

2. 选择 root 端口。 根端口通常使用从一台交换机到另一台交换机的低成本路径。在此示例中，假设所有路径的成本都相似。因此，交换机 2 的根端口是通过交换机 1 的直接路径接收数据包的端口（成本 4），因为其他路径通过交换机 3（成本 4 + 4），如 图 3 所示。同样，对于交换机 3，根端口是使用交换机 1 的直接路径的端口。

   图 3：选择根端口

3. 选择指定端口。 指定端口是唯一可以在交换机上（根交换机除外）接收和转发帧的端口。它们通常是使用成本最低路径的端口。在 图 4 中，指定端口标记为 。

   图 4：选择指定端口和阻止冗余路径

由于网络中涉及多个路径，并且已识别根端口和指定端口，因此 STP 可以暂时阻止交换机 2 和交换机 3 之间的路径，从而消除任何第 2 层环路。

支持的生成树协议类型

在第 2 层环境中，您可以配置各种生成树协议版本，以便在第 2 层网络中创建无环路拓扑。

生成树协议是第 2 层控制协议 （L2CP），可通过包含冗余路径的交换网络计算最佳路径。生成树协议使用桥接协议数据单元 （BPDU） 数据帧与其他交换机交换信息。生成树协议使用 BPDU 提供的信息来选择根桥、识别每个交换机的根端口、识别每个物理 LAN 分段的指定端口，以及删除特定冗余链路以创建无环路树拓扑。生成的树拓扑可在任意两个终端站之间提供单个活动第 2 层数据路径。

注意：

在生成树协议的讨论中，术语 bridge 和 switch 通常可互换使用。

瞻博网络 MX 系列 5G 通用路由平台和 EX 系列交换机支持 STP、RSTP、MSTP 和 VSTP。

• 原始生成树协议 （STP） 在 IEEE 802.1D 1998 规范中定义。名为快速生成树协议 （RSTP） 的较新版本最初在 IEEE 802.1w 规范草案中定义，后来纳入 IEEE 802.1D-2004 规范。称为多生成树协议 （MSTP） 的最新版本最初在 IEEE 802.1s 规范草案中定义，后来纳入 IEEE 802.1Q-2003 规范。VLAN 生成树协议 （VSTP） 与 Cisco Systems 路由器和交换机上支持的 Per-VLAN 生成树 Plus （PVST+） 和快速 PVST+ 协议兼容。

• RSTP 通过将某些链路识别为点对点，并使用协议握手消息而非固定超时，可提供比原始 STP 更快的重新融合时间。当点对点链路发生故障时，备用链路可以过渡到转发状态，而无需等待任何协议计时器到期。

• MSTP 提供从逻辑上将第 2 层网络划分为区域的功能。每个地区都有一个唯一的标识符，可以包含多个生成树实例。所有区域都使用通用实例生成树 （CIST） 捆绑在一起，后者负责 跨 区域创建无环路拓扑，而多生成树实例 （MSTI） 则控制区域 内 的拓扑。MSTP 将 RSTP 用作融合算法，可与早期版本的 STP 完全互操作。

• VSTP 为每个 VLAN 维护单独的生成树实例。不同的 VLAN 可以使用不同的生成树路径。当不同的 VLAN 使用不同的生成树路径时，随着配置更多 VLAN，所消耗的 CPU 处理资源也会增加。VSTP BPDU 数据包带有相应的 VLAN 标识符标记，并传输到组播目标媒体访问控制 （MAC） 地址 01-00-0c-cc-cc-cc-cd ，协议类型 为 0x010b。VSTP BPDU 采用纯 IEEE 802.1q 网桥隧道。

注意：

仅使用一个生成树进程支持在 MX 系列路由器上配置的所有虚拟交换机路由实例。第 2 层控制协议进程名为 l2cpd。