STP协议
为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路，冗余链路会给交换网络带来环路风险。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）就是在提高网络可靠性的同时，避免环路的种种问题。
二层环路的问题
广播风暴
对于BUM帧，交换机会执行无条件的泛洪，如果交换机网络中存在环路，这个帧会被无限转发，瞬间耗尽交换机的 CPU 和链路带宽。
主机会收到重复的数据帧
对于BUM帧，由于广播风暴的存在，网络中充斥着重复的广播帧。
对于单播帧，原本的已知单播被“退化”成了未知单播，从而被泛洪。一是MAC表震荡，导致触发了保护机制删除了表项。二是由于链路拥塞，交换机收不到目标主机的回应导致表项无法老化删除。
MAC地址表震荡
网络变得随机和不可预测。
补充1：BUM帧，即Broadcast (广播帧)、Unknown Unicast (未知单播帧)、Multicast (组播帧)。广播帧目标MAC为FF:FF:FF:FF:FF:FF；组播帧目标MAC最后一个字节最低位为1，在为开启IGMP Snooping（互联网组管理协议嗅探）等技术前，被当做广播帧处理；未知单播帧只指交换机MAC地址表查不到，执行和广播相同的操作。
补充2：交换机内部处理 MAC 表震荡时，会看到同一个源 MAC 在多个端口间快速迁移，并触发 MAC 地址漂移（MAC Flapping） 告警。为了保护硬件转发芯片，很多交换机有个默认动作：直接把那个反复震荡的 MAC 地址表项“冻结”甚至删除，直到震荡停止再重新学习。
生成树的构建过程
STP的作用：一是消除环路，通过阻断冗余链路来消除环路。二是链路备份，当活动路径发生故障时，激活备份链路。
为什么STP大量使用“桥”术语，比如根桥（Root Bridge）、桥ID（Bridge ID）、桥协议数据单元（BPDU）？
STP 的原始标准 IEEE 802.1D 诞生于 1990 年。在那个年代，用来连接两个网段的网络设备就叫“网桥”，它通常是只有两个端口的“二层转发盒子”。 而我们今天熟悉的、有大量端口的交换机，在技术本质上就是多端口网桥。当 STP 协议被发明出来时，大家还没用上“交换机”这个词，所以整个协议的标准术语全用了“桥”。
Cisco AGS+，一个典型网桥。
Kalpana EtherSwitch EPS-1500，最早的以太网交换机之一。
BPDU
交换机之间通过 BPDU 报文交换生成树信息，里面包含：
- Root ID —— 根桥 ID
- Root Path Cost —— 发送者到根桥的路径开销
- BID —— 发送BPDU的设备BID （4位优先级+12位系统ID扩展+48位交换机背板地址）
- PID —— 发送BPDU的端口PID （4位优先级+12位端口编号）
Step 1 选举根桥
比较BID，先比较优先级，后比较MAC地址，越小越好。
默认优先级32768，可以手动配置为4096的倍数。
建议手动指定根桥，防止误接抢根，造成整个生成树重新生成。
1 | stp root primary 等效于 stp priority 0 |
Step 2 选举根端口
在非根桥设备上，选举离根桥最近的端口，简称RP，以下参数越小越好。
- 比较入方向的累计路径开销，即收到的 BPDU 中的根路径开销字段 + 本端口自己的端口开销。
- 比较发送者BID（如果两个以上的路径的累计路径开销相同）。
- 比较发送者PID（如果两个以上的端口连接到同一交换机）。
- 比较自身接口的PID （如果使用了HUB这种设备）。
Step 3 选举指定端口
Designated Port 简称DP
指定端口在每个链路（即冲突域）上选择，每段链路只会选择一个。
- 比较累计路径开销。
- 比较端口所在的交换机的BID。
- 比较端口的PID（如果使用了HUB这种设备）。
Step 4 阻塞非根&非指定端口
网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。
其他端口在经典STP中被称为阻塞端口，Blocking Port，在RSTP中被称为预备端口，Alternate port，简称AP，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。
端口状态转换
为了防止临时环路，在定义了端口角色的基础上，还定义了端口状态。
| 端口状态 | 行为 | 解释 |
|---|---|---|
| Disabled 禁用状态 | 不处理BPDU，也不转发用户流量 | 比如端口状态是down |
| Blocking 阻塞状态 | 接收BPDU，不能转发。 | 阻塞端口的长期工作形态 |
| Listening 侦听状态 | 收发BPDU，不学习MAC，不转发用户流量 | DP和RP的临时状态，15s确保全网选举一致，防止临时环路 |
| Learning 学习状态 | 收发BPDU，学习MAC，不转发用户流量 | 在无环拓扑上预建MAC表，减少转发初期的未知单播泛洪，经15秒后进入Forwarding |
| Forwarding 转发状态 | 收发BPDU，学习MAC，转发用户流量 | DP和RP最终正常工作状态 |
这是华为的图：
Learning状态存在的原因：
一是减少未知单播泛洪。在转发前，完成MAC表的构建，收到数据即刻开始转发，尽可能减少未知单播泛洪。
二是构建无环MAC表。不开启STP的时候，端口直接学习MAC地址；开启STP后，在了解网络的拓扑环境（那个端口被阻塞了）后，在Learning状态可以建立无环的MAC表。
Listening状态存在的原因：
防止临时环路。确保网络中的所有交换机都完成了选举，这个时候只做一件事，处理BPDU报文，使得整个网络达成一致。如果没有这个状态，尽管最终还是会完成选举，但是已经产生的错误MAC表项，只能等老化时间结束后才能消除。
Blocking状态存在的原因：
一是物理环路需要逻辑断开。这也是使用STP去解决二层环路的目的。
二是需要作为充当备份。在收不到BPDU时候，触发重新选举。
是阻塞端口的长期工作状态，或者说是备用端口的最终状态。
BPDU
BPDU字段含义
| 字段 | 含义 | 典型值 |
|---|---|---|
| PID | 协议ID | 0，表示使用的是 IEEE 802.1D 生成树协议。 |
| PVI | 协议版本ID | STP 为0，RSTP 为2，MSTP 为3。 |
| BPDU Type | BPDU类型 | 配置 BPDU——0x00 | TCN BPDU——0x80。 |
| Flags | 标志 | TC | TCA |
| Root ID | 根桥ID | 根桥的优先级和MAC地址组成 |
| RPC | 根路径开销 | 到根桥的最短路径开销。 |
| Bridge ID | 指定桥ID | 指定桥的优先级和MAC地址组成。 |
| Port ID | 指定端口ID | 指定端口的优先级和端口号组成。 |
| Message Age | 配置BPDU在网络中传播的生存期。 | 根桥始发为0，每经过一台设备+1，超过20时候丢弃。 |
| Max Age | 配置BPDU在设备中的最大生存期。 | 20s |
| Hello Time | 配置BPDU发送的周期 | 2s |
| Fwd Delay | 端口状态迁移的延时 | 15s |
TCN-BPDU
配置BPDU —-> 只有DP会发送，RP和AP只能被动接收，RP可以修改并转发。用于生成树的选举、周期性的维护。
TCN-BPDU —-> 只有在拓扑变化时RP才会发送，实现全网所有设备清空MAC地址表。
几个名词：
TCN：Topology Change Notification 拓扑变化通知（TCN-BPDU，一个独立短小的报文）
TCA：Topology Change Acknowledgment 拓扑变化确认（配置BPDU的标志位）
TC：Topology Change 拓扑变更（配置BPDU的标志位）
使用TCN-BPDU的原因是：为了解决错误的MAC表项只能等老化时间结束才能改变
如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时清空MAC地址表项。
拓扑改变导致MAC地址表错误
网络中的某个交换机检测到以下两点，即表明拓扑改变
- 阻塞端口进入Forwarding状态
- 处于Forwarding状态的RP或者DP端口进入Blocking状态
此后
- RP逐级发送TCN-BPDU，2s发一次
- 上游交换机立刻回传TCA置位的配置BPDU，然后使用RP向上发送TCN-BPDU
- 根桥收到后，向全网泛洪TC置位的配置BPDU，共发送35s，收到此消息的交换机，会将老化时间改为Fwd Delay（15s）。
一个典型的例子是：
