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前言

在数据链路层中，有时为了提高系统的冗余性，常常引入冗余链路。但在冗余链路中，很容易引发广播风暴以及 MAC 地址表不稳定等故障现象。为解决交换网络中的环路问题提出了生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。

生成树概论

随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。在经典网络中，上级交换机出现故障时，下联设备将会直接断网。

为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题。

下面是二层环路容易产生的问题：

广播风暴：在交换网络中存在环路，数据帧会一直在环路中传播导致网络故障。
MAC地址表漂移：同一个数据帧在同一个交换机的不同端口处不断切换导致的MAC漂移。

而生成树(Spanning Tree)解决冗余网络的环路问题，通过选取一个指定的根和端口，其他端口阻塞的方式来解决环路问题。

当线路故障的时候，生成树协议会自动解除其他可用的端口的阻塞，阻塞故障的链路。

STP工作原理

生成树协议 STP 是一个用于局域网中，将网络变成一个无环树，以消除环路的协议。运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。

STP 在网络中运行后会持续监控网络的状态，当网络出现拓扑变更时 STP 能够感知并且进行自动响应从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。

STP的工作原理简单来说如图所示：

我们一个个分析STP中的一些概念。

桥ID与根桥

桥ID(Bridge ID, BID)是由 16 位的桥优先级 Bridge Priority 与 48 位的桥 MAC 地址构成。每一个有着STP的交换机都有一个唯一的桥ID。

网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是 0~65535 ，默认值为 32768, 可以修改但是修改值必须为 4096 的倍数。

优先级越小，说明优先级越高。优先级最高的设备，会被选举为根桥(Root Bridge)。如果优先级相同，则会比较 MAC 地址， MAC地址越小则越优先。

STP 的主要作用之一是在整个交换网络中由根桥开始，计算出一棵无环的树 STP 树。

开销

每一个接口都维护着一个开销(Cost)值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根桥的开销。

默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。因为存在不同的计算方法，需要根据实际情况分析。

根路径开销(RPC, Root Path Cost)是交换机某个接口到根桥的总开销的累计。一台设备从某个接口到达根桥的 RPC 等于从根桥到该设备沿途所有接口的 Cost 累加。如图，例如根桥为SW1，SW3的接口2(GE 0/0/1)的RPC为它自己的Cost(20000)，加上沿途经过SW2的接口1产生的Cost(500)，得到RPC = 20000+500.

我们为了标记每个接口方便，使用接口 ID(PID, Port ID) 来标识每个接口。它是一个16位的数，高 4 bit 是接口优先级，低12 bit 是接口编号。优先级范围是0~240，取值为16的整数倍，默认为128。

BPDU

我们知道，在封装与解封装中的协议基本单位是PDU(Protocol Data Unit). BPDU 是生成树协议中用到的PDU，它有两种类型：配置 BPDU 和 TCN BPDU 。

配置BPDU包含了BID、Cost和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。

TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

它的header如下：

STP过程

STP过程分为四步：

根桥选取
根端口选取
每条链路指定端口选取
非指定接口被阻塞

根桥选取

STP在交换网络中开始工作时都认为自己是根桥，它们都会向网络互相发送配置BPDU。当交换机收到网络中其他设备发送来的 BPDU 后，会比较 BPDU 中的根桥 ID 和自己的BID。

优先级最小、MAC地址最小的选取为根桥。交换机不断交互BPDU，同时对BID进行比较，最终选举一台BID最小的交换机作为根桥，其他的则为非根桥。

根端口选取

一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为根端口(Root Port)的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。

在选举出根桥后，根桥仍然持续发送BPDU，而非根桥将持续不断的收到根桥发送BPDU。每一台非根桥交换机都会在自己的接口中选举出一个接口，非根桥交换机上有且只会有一个根接口。

根端口选取是首先比较根路径开销(RPC)，RPC值越小，越优选。当RPC相同时，比较上行交换机的BID，BID值越小，越优选。当上行交换机BID相同时，比较上行交换机的PID，PID越小，越优先。当上行交换机的PID相同时，则比较本地交换机的PID，PID值越小，越优先。

指定端口选取

根接口选举出来后，非根桥会使用其在该接口上收到的最优BPDU进行计算，然后将计算得到的配置BPDU与除了根接口之外的其他所有接口所收到的配置BPDU进行比较。计算得最优的接口为指定接口。即图中SW2与SW3之间进行比较。

一般情况下，根桥的所有接口都是指定接口。

每个链路（ Link ）选举一个指定端口，用于向这个链路发送 BPDU 。

阻塞非指定端口

一台交换机上，既不是根接口，又不是指定接口的接口被称为非指定接口。STP会对这些非指定端口进行逻辑阻塞，即这些端口不能转发由终端计算机产生并发送的帧。一旦非指定端口被逻辑阻塞后，STP树( 无环路工作拓扑)就生成了

此时，所有的端口都可以接收并处理BPDU，但只有根端口和指定端口可以转发用户数据帧。

总结一下：

根桥：BID最小的交换机。
根端口：离根桥最近的端口。
指定端口：根桥所有参与生成树选举的端口。

例如如下的网络拓扑中。

选择根桥，找到BID最小的。它们优先级都一样的情况下，SW1的MAC地址最小，所以SW1为根桥。
选择根端口，即其他交换机中与根桥距离最近的端口。如图中与SW1相连的SW2的GE 0/0/1端口和SW3的GE 0/0/1端口为根端口。
找到指定端口，首先根桥上的所有端口都是指定端口。故SW1的GE 0/0/0和GE 0/0/1均为指定端口。接下来计算其他端口收到的BPDU最优结果。SW2的GE 0/0/2端口接收到 SW3 的配置 BPDU，比较它们的BID，发现SW2的BID更小，同理在SW3中比较SW2和SW3，得到SW2的GE 0/0/2端口为指定端口。
最终确定非根非指定端口，非指定端口的SW3的GE 0/0/2端口为预备端口。

端口状态

每个端口有着如下状态：

Status	Description
Disable	禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。
Blocking	阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
Listening	侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。
Learning	学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。Learning状态是为了防止临时环路。
Forwarding	转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。

状态转移图(STD)如下：

后记

在这篇文章中，我们详细地探讨了生成树协议（STP）的工作原理和应用。我们了解到，STP通过选取一个指定的根和端口，其他端口阻塞的方式来解决环路问题。当线路故障的时候，生成树协议会自动解除其他可用的端口的阻塞，阻塞故障的链路。这种机制极大地提高了网络的稳定性和可靠性。希望这篇文章能帮助你更好地理解和应用STP。