第四讲 交换机的STP和DHCP的配置 教学设计-《网络设备安装与调试》考纲技能通

山东省计算机类网络技术高考技能教学 交换机的STP和DHCP配置 目录 一、教学目标 1 二、基本知识讲解 1 第一节 交换机的STP技术 1 第二节 交换机的DHCP技术 9 三、例题讲解 16 四、课堂小结 16 一、教学目标 【知识目标】 1．理解生成树的作用和原理。 2．理解DHCP技术的原理和作用。 【能力目标】 1．能熟练应用交换机的STP技术和RSTP技术。 2．能熟练应用交换机的DHCP技术。 【素养目标】 1．培养学生系统分析与解决问题的能力，使其能够掌握相关知识点并完成项目任务。 2．培养学生的信息素养和学习能力，使其能够运用正确的方法和技巧掌握新知识、新技能。 3．培养学生的系统分析与解决问题的能力，使其能够掌握相关知识点并完成项目任务。 4．培养学生严谨的逻辑思维能力，使其能够正确地处理交换网络中的问题。 5．培养学生诚信、务实和严谨的职业素养。 二、基本知识讲解 第一节 交换机的STP技术 知识链接： 1．STP的由来 为了解决冗余链路引起的问题，IEEE通过了IEEE802.1d协议，即生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）。IEEE802.1d协议通过在交换机上运行一套复杂的算法，使冗余端口置于“阻塞”状态，这样网络中的计算机在通信时只有一条链路生效，而当这条链路出现故障时，IEEE802.1d协议会重新计算机出网络的最优链路，将处于“阻塞”状态的端口重新打开，从而确保网络连接稳定可靠。 生成树协议目前常见的版本有STP（生成树协议，IEEE802.1d）、RSTP（快速生成树协议，IEEE802.1w）和MSTP（多生成树协议IEEE802.1s）。 生成树算法是利用SPA算法，在存在交换环路的网络中生成一个没有环路的树形网络。运用该算法将交换网络冗余的备份链路在逻辑上断开，当主要链路出现故障时，能够自动切换到备份链路，保证数据的正常转发。 2．STP的术语 1）桥（Bridge） 因为性能方面的限制等因素，早期的交换机一般只有两个转发端口，所以那时的交换机常常被称为网桥，或者简称桥。在IEEE的术语中，桥这个术语一直沿用至今，但并不是仅指只有两个转发端口的交换机，而是泛指具有任意多个转发端口的交换机。 2）桥的MAC地址（Bridge MAC Address） 一个桥有多个转发端口，每个端口有一个MAC地址。通常，交换机会把端口编号最小的那个端口的MAC地址作为整个桥的MAC地址。 3）桥ID（Bridge Identifier，BID） 一个桥（交换机）的桥ID由两部分组成，前面的两个字节是这个桥的桥优先级，后面的6个字节是这个桥的MAC地址。桥优先级的值可以手动设置，其默认值为0x8000（相当于十进制的32768）。桥ID的组成如图所示。 4）端口ID（Port Identifier，PID） 一个桥（交换机）的端口ID的定义方法有很多种，常见的有两种，如图所示。 第一种：端口ID由两个字节组成，第一个字节是该端口的端口优先级，第二个字节是端口编号。 第二种：端口ID由16个比特组成，前4个比特是该端口的端口优先级，后12个比特是该端口的端口编号。 端口优先级的值既可以手动设定，也可以由设备自动生成。由设备自动生成端口ID时，不同设备厂商采用的PID的定义方法可能不同。 3．STP生成树的生成过程 STP生成树的生成过程主要分为以下4步。 （1）选举根桥（Root Bridge），作为整个网络的根。 （2）确定根端口（Root Port，PR），确定非根网桥交换机与根交换机链接最优的端口。 （3）确定指定端口（Designated Port，DP），确定每条链路与根桥连接最优的端口。 （4）阻塞备用端口（Altermate Port，AP），形成一个无环网络。 1）选举根桥 根桥是STP生成树的根节点。要生成一棵STP生成树，首先要确定一个根桥。根桥是整个交换网络的逻辑中心，但不一定是它的物理中心。当网络的拓扑发生变化时，根桥也可能会发生变化。 运行STP的交换机（简称STP交换机）会相互交换STP协议帧，这些协议帧的载荷数据被称为BPDU（网桥协议数据单元）。BPDU中包含了与STP相关的所有信息，其中包含BID。 交换机之间选举根桥的主要步骤如下： （1）STP交换机初始启动之后，都会认为自己是根桥，并在发送给其他交换机的BPDU中宣告自己是根桥。 （2）当交换机从网络中收到其他设备发送过来的BPDU时，会比较BPDU中的根桥BID和自己的BID，较小的BID将作为根桥BID。 （3）交换机之间通过不断地交互BPDU，同时对BID进行比较，直至最终选出一台BID最小的交换机作为根桥。 2）确定根端口 根桥确定后，其他没有成为根桥的交换机都成为非根桥。一台非根交换机可能通过多个端口与根交换机通信。为了保证从非根交换机到根交换机的工作路径是最优且唯一的，就必须从非根交换机的端口中确定一个被称为根端口的端口，由根端口实现非根交换机与根交换机设备之间的报文交互。 因此，一台非根桥设备上最多只能有一个根端口，根端口的确定过程如下。 （1）比较根路径开销，较小的为根端口。 （2）比较上行设备的BID，BID较小的端口作为根端口。 （3）比较发送方端口ID，较小的端口作为根端口。 STP把根路径开销（RPC）作为确定根端口的一个重要依据。在一个运行STP的网络中，交换机的某个端口到根交换机的累计路径开销（即从该端口到根桥所经过的所有链路的路径开销总和）称为该端口的RPC。链路的路径开销与端口速率有关，端口转发速率越大，路径开销就越小。端口速率与路径开销的对应关系如表所示。 端口速率 路径开销（IEEE802.1t标准） 10Mbit/s 2 000 000 100Mbit/s 200 000 1Git/s 20 000 10Gbit/s 2 000 3）确定指定端口 指定端口也是通过比较RPC来确定的，RPC较小的端口将成为指定端口。如果RPC相同，则需要比较BID、PID等。根交换机上不存在任何根端口，只存在指定端口。 4）阻塞备用端口 （1）确定根端口和指定端口后，所有剩余端口称为备用端口。STP会对备用端口进行逻辑阻塞。 （2）备用端口被逻辑阻塞后，STP生成树的生成过程就结束。 4．STP端口状态 STP将端口状态分为5种：禁用状态、阻塞状态、侦听状态、学习状态和转发状态。这些状态的迁移用于防止网络STP收敛过程中可能存在的临时环路。5种STP端口状态的简要说明如表所示。 端口速率 说明 禁用（Disabled） 禁用状态的端口无法接收和发出任何帧，端口处于关闭（Down）状态 阻塞（Blocking） 阻塞状态的端口只能接收STP协议帧，既不能发送STP协议帧，也不能转发用户数据帧 侦听（Listening） 侦听状态的端口可以接收并发送STP协议帧，但不能进行MAC地址学习，也不能转发用户数据帧 学习（Learning） 学习状态的端口既可以接收并发送STP协议帧，也可以进行MAC地址学习，但不能转发用户数据帧 转发（Forwarding） 转发状态的端口既可以接收并发送STP协议帧，也可以进行MAC地址学习，同时能够转发用户数据帧 （1）STP交换机的端口在初始启动时，会从禁用状态进入阻塞状态。在阻塞状态下，端口只能接收和分析BPDU，不能发送BPDU。 （2）如果端口被选为根端口或指定端口，则会进入侦听状态，此时端口接收并发送BPDU，这种状态会持续一个转发延迟的时间长度，默认为15。 （3）如果没有因“意外情况”而回到阻塞状态，则该端口会进入学习状态，并在此状态持续一个转发延迟的时间长度。处于学习状态的端口可以接收和发送BPDU，同时开始构建MAC地址表，为转发用户数据帧做好准备。处于学习状态的端口仍然不能转发用户数据帧，因为此时网络中可能还存在因STP生成树的计算过程不同步而产生的临时环路。 （4）端口由学习状态进入转发状态，开始用户数据帧的转发工作。 （5）在整个状态的迁移过程中，端口一旦被关闭或发生了链路故障，就会进入禁用状态；在端口状态的迁移过程中，如果端口的角色被判定为非根端口或非指定端口，则其端口状态立即退回到阻塞状态。端口状态的迁移过程如图所示。 任务分析： STP既可以在交换机网络中消除第二层环路，也可以在提供冗余链路的同时防止网络产生环路，在网络出现故障时还可以及时补充有效链路以保障网络的可用性。 下面利用实验来介绍交换机的STP技术的应用及配置方法，其网络拓扑结构图如图所示。 具体要求如下： （1）添加两台计算机，将标签名分别更改为PC1和PC2。 （2）添加两台型号为S3700-26C-HI的交换机，将标签名分别更改为SW2A和SW2B，将交换机的名称分别设置为SW2A和SW2B。 （3）添加两台型号为S5700-28C-HI的交换机，将标签名分别更改为SW3A和SW3B，将交换机的名称分别设置为SW3A和SW3B。 （4）开启所有的交换机和计算机。 （5）PC1连接SW2A的Ethernet0/0/1接口，PC2连接SW2B的Etnernet0/0/1接口。 （6）SW2A的GE0/0/1接口连接SW3A的GE0/0/1接口，SW2A的GE0/0/2接口连接SW3B的GE0/0/2接口，SW2B的GE0/0/1接口连接SW3B的GE0/0/1接口，SW2B的GE0/0/2接口连接SW3A的GE0/0/2接口，SW3A的GE0/0/24接口连接SW3B的GE0/0/24接口。 （7）在SW3A、SW3B、SW2A和SW2B上划分VLAN10，并对接口进行分配。 设备名称 VLAN编号 接口范围 SW3A 10 Trunk GE0/0/1 GE0/0/2 GE0/0/24 SW3B 10 Trunk GE0/0/1 GE0/0/2 GE0/0/24 SW2A 10 Ethernet0/0/1 Trunk GE0/0/1 GE0/0/2 SW2B 10 Ethernet0/0/1 Trunk GE0/0/1 GE0/0/2 （8）根据网络图片结构图，使用直通线连接好所有计算机。设置每台计算机的IP地址和子网掩码。 计算机 IP地址 子网掩码 PC1 192.168.10.1 255.255.255.0 PC2 192.168.10.2 255.255.255.0 （9）为了避免产生交换环路问题，需要配置交换机的STP功能，加快网络收敛。要求核心交换机有较高优先级，SW3A为根交换机，SW3B为备用根交换机，从SW3A到SW2A的链路和从SW3A到SW2B的链路为主链路。 任务实施： （1）交换机的基本配置 ①SW3A的配置如下。 ②SW3B的配置如下。 ③SW2A的配置如下。 ④SW2B的配置如下。 （2）开启交换机的STP ①SW3A的配置如下。 ②SW3B的配置如下。 ③SW2A的配置如下。 ④SW2B的配置如下。 （3）配置SW3A和SW3B上STP的优先级。 将SW3A配置为根交换机，SW3B配置为备用根交换机。 方法1：通过修改交换机的优先级指定根交换机。 ①在SW3A上的配置如下。 将SW3A的优先级改为0。 ②在SW3B上的配置如下。 将SW3B的优先级改为4096。 小提示：优先级的取值是0~65535，默认值是32768，要求将该值设置为4096的倍数，如4096、8192等。 方法2：通过命令直接指定根交换机。 ①在SW3A上的配置如下。 删除在SW3A上所配置的优先级，使用stp root primary命令配置根交换机。 ②在SW3B上的配置如下。 删除在SW3B上所配置的优先级，使用stp root secondary命令配置备用根交换机。 小提示：在设备上配置了stp root primary命令后，设备的桥优先级的值会被自动设为0，并且不能通过修改优先级的方式来更改该设备的桥优先级的值。 任务验收： （1）使用display vlan命令验证各台交换机上的VLAN配置信息。 （2）使用display stp命令查看SW3A和SW3B上的STP模式。 ①在SW3A上查看STP模式是否正确。 ②在SW3B上查看STP模式是否正确。 （3）使用display stp brief命令查看SW2A和SW2B上的STP状态。 ①在SW2A上查看备用接口是否处于丢弃状态。 ②在SW2B上查看备用接口是否处于丢弃状态。 （4）使用ping命令测试计算机之间的连通情况。 使用ping命令测试计算机之间的连通情况，例如，在PC1测试PC1和PC2之间的连通性，如图所示。 任务小结： （1）STP是一个用于在局域网中消除环路的协议，使冗余拓扑中不会产生交换环路问题。 （2）华为交换机默认开启STP。 （3）根交换机上不存在任何根端口，只存在指定端口。 第二节 交换机的DHCP技术 知识链接： 动态主机配置协议（DHCP）是TCP/IP协议簇中的一种，该协议提供了一种动态分配网络配置参数的机制，并且可以后向兼容BOOTP协议。 随着网络规模的扩大和网络复杂程度的提高，计算机位置变化（如便携机或无线网络）和计算机数量超过可分配的IP地址的情况将会经常出现。DHCP协议就是为了满足这些需求而发展起来的。DHCP协议采用客户端/服务器（Client/Server）方式工作，DHCP客户端向DHCP服务器动态地请求配置信息，DHCP服务器根据策略返回相应的配置信息（如IP地址等）。 DHCP客户端首次登录网络时，主要通过4个阶段与DHCP服务器建立联系。 （1）发现阶段：即DHCP客户端寻找DHCP服务器的阶段。DHCP客户端以广播方式发送DHCP_Discover报文，只有DHCP服务器才会进行响应。 （2）提供阶段：即DHCP服务器提供IP地址的阶段。当DHCP服务器收到DHCP客户端的DHCP_Discover报文后，从IP地址池中挑选一个尚未分配的IP地址分配给DHCP客户端，向该客户端发送包含出租IP地址和其他设置的DHCP_Offer报文。 （3）选择阶段：即DHCP客户端选择IP地址的阶段。如果有多台DHCP服务器向DHCP客户端发送DHCP_Offer报文，那么该客户端只接收第一个DHCP_Offer报文，然后以广播方式向各DHCP服务器回应DHCP_Request报文。 （4）确认阶段：即DHCP服务器确认所提供IP地址的阶段。当DHCP服务器收到DHCP客户端回答的DHCP_Request报文后，便向DHCP客户端发送包含它所提供的IP地址和其他设置的DHCP_ACK报文。 任务分析： 可以提供DHCP服务的设备有路由器、三层交换机和专用的DHCP服务器。因为网络中使用的核心交换机、分布层交换机都为三层交换机，所以可以在分布层交换机上开启DHCP服务，配置用户地址池，统一分配规划的用户IP地址。 下面利用实验来介绍交换机的DHCP技术的应用及配置方法，其网络拓扑结构如图所示。 具体要求如下： （1）添加4台计算机，将标签分别更改为PC1、PC2、PC3、PC4。 （2）添加一台型号为S3700-26C-HI的交换机，标签名为SW2A，将交换机的名称设置为SW2A。 （3）添加一台型号为S5700-28C-HI的交换机，标签名为SW3A，将交换机的名称设置为SW3A。 （4）开启所有的交换机和计算机。 （5）PC1连接SW2A的Ethernet0/0/1接口，PC2连接SW2A的Ethernet0/0/5接口。 （6）SW2A的GE0/0/1接口连接SW3A的GE0/0/1接口。 （7）在SW2A上划分两个VLAN（VLAN 10、VLAN 20），并将GE0/0/1接口设置为Trunk模式，如表所示。 VLAN编号 接口范围 接口模式 10 Ethernet0/0/1~0/0/4 Access 20 Ethernet0/0/5-0/0/8 Access GE0/0/1 Trunk （8）在SW3A上划分两个VLAN（VLAN 10、VLAN 20），并将GE0/0/1接口设置为Trunk模式，如表所示。 VLAN编号 IP地址/子网掩码 10 192.168.10.254/24 20 192.168.20.254/24 （9）根据图所示的网络拓扑结构，使用直通线连接好所有计算机，并将两台计算机的IP地址设置为DHCP获取方式。 （10）在SW3A上划分为两个VLAN，同时开启DHCP服务，使连接在交换机上的不同VLAN的计算机获得相应的IP地址，最终实现全网互通。 任务实施： （1）交换机的基本配置。 将二层交换机的名称设置为SW2A，在交换机上划分两个VLAN，即VLAN10和VLAN20，并按要求为两个VLAN分配接口，具体命令如下。 将三层交换机的名称配置为SW3A，在交换机上划分两个VLAN，即VLAN10和VLAN20，具体命令如下。 （2）将交换机的接口配置为Trunk模式，并允许VLAN10和VLAN20通过。 配置SW2A的GE0/0/1接口，具体命令如下。 配置SW3A的GE0/0/1接口，具体命令如下。 （3）开启交换机的DHCP功能。 （4）配置交换机的DHCP服务。 （5）配置VLAN的VLANIF接口的IP地址，并开启VLAN的VLANIF接口的DHCP功能。 配置交换机上划分的每个VLAN的VLANIF接口的IP地址，同时开启VLAN的VLANIF接口的DHCP功能，具体命令如下。 （6）配置计算机采用DHCP方式获取IP地址。 1）在PC1上右击，在弹出的快捷菜单中选择“设置”命令，打开PC1的配置界面。在“基础配置”选项卡的“IPv4配置”选项组中，选中“DHCP”单选按钮，然后单击右下角的“应用”按钮，如图所示。 2）单击PC1的配置界面中的“命令行”选项卡，在其中输入ipconfig命令，查看接口的IP地址，如图所示。 3）使用同样的方法，将另一台计算机也配置为采用DHCP方式获取IP地址，并查看计算机所获得的IP地址，最后得到的内容如表所示。 计算机 IP地址 子网掩码 网关 DNS服务器地址 PC1 192.168.10.253 255.255.255.0 192.168.10.254 114.114.144.144 PC2 192.168.20.253 255.255.255.0 192.168.20.254 8.8.8.8 通过分析表可知，两台计算机都获得了IP地址、子网掩码、网关及DNS服务器地址，而且连接到VLAN10的计算机获得的IP地址属于192.168.10.0/24网段，连接到VLAN20的计算机获得的IP地址属于192.168.20.0/24网段，实现了任务的要求。 （7）设置保留的IP地址。 在配置DHCP服务时，通常需要保留部分IP地址，用于以固定分配方式给服务器或其他网络设备使用。例如，在本活动中，交换机的两个VLAN的接口的IP地址就属于固定分配。这些保留的IP地址不能以DHCP方式被分配给其他计算机。 如果在本实验中要对192.168.10.0/24网段保留前53个IP地址以留作备用，对192.168.20.0/24网段保留前100个IP地址以留作备用，那么具体的实现命令如下。 [SW3A-ip-pool-vlan10]excluded-ip-address 192.168.10.201 192.168.10.253 [SW3A-ip-pool-vlan20]excluded-ip-address 192.168.20.254 192.168.20.253 添加完以上命令之后，再次检测计算机获得的IP地址。检测方法可参考步骤6，计算机将重新获得IP地址等信息，于是可以得到如表所示的内容。 计算机 IP地址 子网掩码 网关 DNS服务器地址 PC1 192.168.10.200 255.255.255.0 192.168.10.254 114.114.144.144 PC2 192.168.20.153 255.255.255.0 192.168.20.254 8.8.8.8 由表可知，所有计算机都重新获得了新的IP地址，而且它们都是在保留地址以外的IP地址，实现了保留IP地址的目的。 任务验收： 在两台计算机中，查看IP地址的获取情况，使用ping命令测试其他计算机的连通情况。由此可知，当前网络中的计算机之间是连通的。 任务小结： 本活动使用三层交换机作为DHCP服务器，可以使下连的计算机通过交换机获取IP地址、子网掩码、网关和DNS服务器地址。当一个网络中计算机数量庞大时，使用DHCP服务可以很方便地为每台计算机配置好相应的IP地址，从而减轻网络管理员分配IP地址的工作。 三、例题讲解 1、RSTP生成树的收敛速度比STP的收敛速度更快。（ ） 2、使用ipconfig命令可以测试其他计算机的连通情况。（ ） 3、DHCP技术可以为客户机动态分配IP地址，减轻网络管理员工作。（ ） 4、配置STP根交换机的两种方法是： 5、创建DHCP地址池的命令是_____________________ 6、配置DHCP可分配的网段范围命令是_____________________ 7、设置DHCP保留IP地址的命令是_____________________ 四、课堂小结 STP和DHCP是交换机章节的重点，同学们在学习过程中，需要掌握两种技术的基本思想和配置步骤及命令。 学科网（北京）股份有限公司 $$