生成树协议简介
什么是生成树协议
**STP（Spanning Tree Protocol）**是一种由交换机运行的、用来解决交换网络中环路问题的数据链路层协议。为提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路，但是冗余链路会给交换网络带来环路风险，导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，影响用户通信质量。生成树协议STP可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。
注：屏蔽双绞线（ShieldedTwisted Pair）、信令转接点（SignalTransfer Point）等术语的缩写也是STP，应分清此 STP与彼 STP。
没有冗余链路时，如上图所示某条链路出现故障，该链路交换机下的终端业务会中断。
有冗余链路时，如上图所示某条链路出现故障，该链路交换机下的终端业务会中断,因为还有冗余链路保障网络连通；但是产生了环路。
生成树协议两个主要功能
- 消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
- 链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络通信。
网络环路产生的问题
在有环路的交换网络中，会导致Mac地址表翻摆、广播风暴、多帧复制等问题。
名词解释
桥（网桥）： 交换机早期的名字；
桥（交换机）的Mac地址： 每台交换机都有多个转发端口，每个端口有1个Mac地址，通常把端口编号最小的那个端口的Mac地址作为交换机的Mac地址；
桥ID（BID）： 由桥优先级（2个字节，即16位二进制数）和桥Mac地址（6个字节，即48位二进制数）组成，优先级可以人为设置，取值范围是0～65535，步长为4096，默认为0x8000（十进制为32768）；
端口ID（PID）： 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID， 端口ID由端口优先级和端口号（即端口编号，如Ethernet0/0/3的端口编号为3）组成。 端口优先级取值范围是0到240， 步长为16， 即取值必须为16的整数倍，默认端口优先级为128；
STP交换机： 运行生成树协议的交换机；
**BPDU（Bridge Protocol Data Unit）网桥协议数据单元：**是STP交换机相互交互的数据帧，BPDU是由STP交换机产生、交互和处理的，不是计算机等终端设备。
生成树协议工作原理
**STP协议的基本原理：**在一个具有物理环路的交换网络中，交换机通过运行STP协议，自动生成一个没有环路的工作拓扑。该无环工作拓扑也称为STP树(STPTree)，树节点为某些特定的交换机，树枝为某些特定的链路。一棵STP树包含唯一的一个根节点，任何一个节点到根节点的工作路径不但是唯一的，而且是最优的。当网络拓扑发生变化时，STP树也会发生相应变化。
生成树的产生过程
交换网络中选举1台根桥（交换机） --> 非根桥（交换机）选举1个根端口 --> 选举指定端口 --> 阻塞剩余端口。
1.交换网络中选举1台根桥（交换机）
**根桥：**网桥ID最小的为根桥，根桥是整个交换网络的逻辑中心，但不一定是物理中心，当网络拓扑发生变化时，根桥也可能发生变化。
如上图所示，交换机默认优先级为32768，所有交换机优先级相同，则需要通过比较交换机Mac地址确定根桥，经过比较，交换机SW的BID最小，所以选举为根桥。
如上图所示，对部分交换机优先级修改，交换机SW优先级最高（即，优先级值最小），交换机SW被选举为根桥。
2.非根桥（交换机）选举1个根端口
**根端口：**是STP协议为非根桥选举出来的连接向根桥的端口，每台非根桥只能有1个根端口，根桥没有根端口。
每台非根桥的STP交换机有多个用于连接网络的端口，通过比较每个连接网络端口的端口开销、端口对端网桥ID、端口对端端口ID来选举出1个根端口，以保证这个端口上的链路为到根桥的唯一1条最优路径。
非根桥： 没有被选举为根桥的STP交换机称为非根桥。
端口的根路径开销（RPC-Root Path Cost）： 在运行STP协议的网络中，STP交换机端口到根桥的累计路径开销称为这个端口的根路径开销。
端口的根路径开销与链路上的各个端口转发速率有关，端口转发速率越高开销越小。
BID选举规则： 先比较交换机优先级后比较交换机Mac地址，如果有1个优先级最高（优先级值最小）的交换机，则不需要再比较交换机Mac地址部分；如果有多个优先级最高（优先级值最小）的交换机，则需要再比较交换机Mac地址部分。
**PID选举规则：**先比较交换机端口优先级后比较交换机端口号，如果有1个优先级最高（优先级值最小）的交换机端口，则不需要再比较交换机端口号部分；如果有多个优先级最高（优先级值最小）的交换机端口，则需要再比较交换机端口号部分。
SW4交换机根端口选举
如上图所示，SW4交换机到根桥SW有3条路径，路径开销分别为：
- SW4：GE 0/0/1-->SW：GE 0/0/2，SW4的E0/0/1端口路径开销为20000。
- SW4：GE 0/0/2-->SW2：GE0/0/2-->SW2：GE 0/0/1-->SW：GE 0/0/1
SW4的E0/0/2端口路径开销为20000+20000=40000
- SW4：Ethernet 0/0/3-->SW3：Ethernet 0/0/2-->SW3：Ethernet 0/0/3-->SW2：Ethernet 0/0/2-->SW2：GE 0/0/1-->SW：GE 0/0/1
SW4的E0/0/1端口路径开销为200000+200000+20000=420000
注：从最后1条路径可以看出，路径开销不是SW4交换机和SW交换机之间的4个端口（SW3：Ethernet 0/0/2、SW3：Ethernet 0/0/3、SW2：Ethernet 0/0/2、SW2：GE 0/0/1）各自开销的累加，而是SW4交换机和SW交换机之间各个交换机之间路径（SW4-SW3、SW3-SW2、SW2-SW共3条路径）开销累加之和。
从3条路径开销得知SW4的GE 0/0/1端口路径开销最小，所以SW4交换机的根端口为GE 0/0/1。
SW3交换机根端口选举
如上图所示，SW3交换机到根桥SW有4条路径，路径开销分别为：
- SW3：E 0/0/2-->SW4：E 0/0/3-->SW4：GE 0/0/1-->SW：GE 0/0/2
SW3的E 0/0/2端口路径开销为200000+20000=220000
- SW3：E 0/0/3-->SW2：E 0/0/2-->SW2：E 0/0/1-->SW：E 0/0/1
SW3的E 0/0/3端口路径开销为200000+20000=220000
- SW3：E 0/0/3-->SW2：E 0/0/2-->SW2：GE 0/0/2-->SW4：GE 0/0/2-->SW4：GE 0/0/1-->SW：GE 0/0/2
SW3的E 0/0/3端口路径开销为200000+20000+20000=240000
- SW3：E 0/0/2-->SW4：E 0/0/3-->SW4：GE 0/0/2-->SW2：GE 0/0/2-->SW2：GE 0/0/1-->SW：GE 0/0/1
SW3的E 0/0/2端口路径开销为200000+20000+20000=240000
从4条路径开销得知SW4的E0/0/1端口路径开销最小的有2个，开销值都为220000，则需要比较BID（桥ID）来确定根端口。
SW3交换机去往根桥方向的相邻交换机ID为：SW2的ID为32768.4c1f-cc6b-343a，SW4的ID为32768.4c1f-cc6b-641e，SW2的BID小，则与SW2相连的SW3的E 0/0/3端口为SW3的根端口。
SW7交换机根端口选举
SW7交换机到根桥SW有4条路径（跟SW3交换机相似，此处省略），端口路径开销和BID都相同，则需比较端口ID（PID）来确定根端口。
SW7交换机去往根桥方向的相邻交换机端口ID为：SW3的Ethernet0/0/1端口ID为128.1，SW3的Ethernet0/0/4端口ID为128.4，SW3的Ethernet0/0/1端口ID小，则与SW3相连的SW7的E 0/0/1端口为SW7的根端口；
如果手动修改SW3的Ethernet0/0/1端口ID为64.1，SW3的Ethernet0/0/4端口ID为48.4，SW3的Ethernet0/0/4端口优先级高（48<64），则与SW3相连的SW7的E 0/0/2端口为SW7的根端口；
注：上图中，如果SW3和SW7之间用集线器HUB相连，则 SW7交换机Ethernet0/0/1端口和Ethernet0/0/2端口去往根桥方向的相邻交换机端口ID都为SW3的Ethernet0/0/1端口，PID是相同的，这种情况下则需要比较SW7自己的Ethernet0/0/1端口和Ethernet0/0/2端口PID来确定根端口。因为集线器HUB在实际应用中很少用，在此不再赘述。
3.选举指定端口
指定端口用于确定除了根端口外要保留通信的端口，即连接两台STP交换机的两个端口，其中一个是指定端口，另外一个是根端口或者是阻塞端口。
指定端口举例说明
上图按照根桥端口和根端口对端端口都是指定端口，标记出了部分指定端口；还剩下SW4:E0/0/3---SW3:E0/0/2、SW4:GE0/0/2---SW2:GE0/0/2、SW3:E0/0/1---SW7:E0/0/1共3条链路还没确定指定端口。
按照端口根路径开销确定指定端口：
SW4:E0/0/3---SW3:E0/0/2链路：SW4:E0/0/3的RPC为20000，SW3:E0/0/2的RPC为220000，SW4:E0/0/3的RPC<SW3:E0/0/2的RPC，SW4:E0/0/3为指定端口。
SW4:GE0/0/2---SW2:GE0/0/2链路：SW4:GE0/0/2的RPC为20000，SW2:GE0/0/2的RPC为20000，SW4:GE0/0/2的RPC=SW3:GE0/0/2的RPC，需要比较各自交换机ID才能确定指定端口。SW2的ID为32768.4c1f-cc6b-343a，SW4的ID为32768.4c1f-cc6b-641e，SW2的BID小，则SW2:GE0/0/2为指定端口。
SW3:E0/0/1---SW7:E0/0/1链路：SW3:E0/0/1的RPC为220000，SW7:E0/0/1的RPC为420000，SW3:E0/0/1的RPC<SW7:E0/0/1的RPC，SW3:E0/0/1为指定端口。
4.阻塞剩余端口
阻塞端口用于切断网络环路，在交换网络中，STP交换机通过交互BPDU消息，如果发现有环路，则选择地阻塞某些端口，最终将环路网络修改成逻辑上无环路的树形网络结构。
