要保證企業的網絡中的關鍵應用可持續性，就需要對交換網絡進行冗餘設計，然而這將產生廣播風暴、“網絡環路”等問題，嚴重時，將導致整個網絡癱瘓？於是，STP生成樹解決辦法出現了……
網絡冗餘設計與廣播風暴的矛盾
廣播風暴的剋星：設計STP網絡生成樹
技術剖析：STP生成樹初始化與收斂
案例分析：觀察生成樹收斂過程
實戰剖析：STP生成樹如何配置？
技術進化：RSTP快速生成樹配置
生成樹初始化與收斂
STP建立一個根節點，稱爲根網橋，並構建了一種拓撲，在這種拓撲中，網絡中每一個節點都只有一條路徑可以到達，最終生成的樹起源於根節點，不屬於最短路徑樹的一部分冗餘鏈路會被阻塞，因爲這樣的路徑被阻塞了，所以實現一個無環路的拓撲是有可能的。在阻塞鏈路上收到數據幀將會被丟棄。
STP需要網絡設備互相交換消息來檢測橋接環路，交換機發送的用於構建無環路拓撲的消息稱爲網橋協議數據單元。阻塞端口會不斷收到BPDU，以保證當活動路徑或設備發生故障的時候，仍然可以計算出一棵新的生成樹。BPDU將提供足夠的信息，所有交換機利用此信息可以完成以下的工作：
n 選擇一臺單獨的交換機作爲生成樹的根。
n 計算它自身到根交換機的最短路徑。
n 對於每一個LAN網段，指定一臺交換機作爲最接近的交換機，稱它爲指定交換機，指定交換機處理所有從LAN到根交換機的通信。
n 每個非根交換機選擇自身的一個端口作爲根端口，它是到根交換機路徑最短的接口。
n 在每個網段上選擇屬於生成樹一部分的端口作爲指定端口，非指定端口將被阻塞掉。
STP四步初始化原則
STP在建立無環路邏輯拓撲時候，STP必須遵守“STP 四步初始化原則”，即：
第1步：最低的根BID。
第2步：最低的路徑開銷到根橋。
第3步：最低的發送方BID。
第4步：更低的端口ID。
當一臺網橋設備加電起動時，按照（Hello Time）時間間隔爲2秒頻率向所有端口發送BPDU，網橋通過以上4個步驟來確定每個端口得到最優先的BPDU。如果自己最優先，則發送個對方，否則停止發送，接受對方的BPDU。如果在20秒時間未能收到對方發來的優先級高的BPDU的話，則又開始重新發送BPDU來確認最優的BPDU。
2．生成樹收斂的3個步驟
當交換機（網橋）全部加電時，所有的網橋全部向連接端口發送BPDU信息，然後立即進入STP無環路邏輯拓撲計算。生成樹從拓撲初始化到收斂成一個無環路的拓撲結構，可以分成3個步驟。
第1步：選擇根橋（Root Bridge），唯一的根橋被選舉。
第2步：選擇根端口（Root Ports），其他的網橋計算一系列的根端口。
第3步：選擇指定端口（Designated ports），用於網段連接。
1）步驟1：選擇根橋
如圖8-8所示，網橋啓動時SW-1、SW-2和SW-3 3臺交換機全部發送BPDU聲明自己是網橋，網橋的優先級均爲32768，此時開始比較MAC值。SW-2收到SW-3來的BID 32768.33-33-33-33-33-33，比自己的BID 32768.22-22-22-22-22-22高，認爲自己是網橋，但同時也收到SW-1的BPDU的BID值爲BID 32768.11-11-11-11-11-11比自己低，所以會認爲SW-1爲根橋，SW-3也經過同樣的比較，認爲SW-1爲根橋。圖8-9顯示了根橋計算對比後的結果。
根橋選舉
根橋選舉結果
SW-2 BPDU Payload的Root BID值變化如下，Root BID從SW-1學來，寫入到端口1/1上，Sender BID 爲自己的橋BID（注意：Sender BID =Bridge ID）。表8-4爲SW-2選擇前與選擇後的比較。
表8-4 SW-2如何選擇根橋
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BID項
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原值（啓動時）
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選擇根橋後
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Root BID
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BID32768.22-22-22-22-22-22
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BID 32768.11-11-11-11-11-11
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Sender BID
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BID32768.22-22-22-22-22-22
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BID 32768.22-22-22-22-22-22
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2）步驟2：選擇根端口
選擇根橋完畢之後，非根橋交換機必須選擇一個根端口，以便確定通信路徑。一臺網橋的根端口是離根橋最近的端口，這個“最近原則”是比較端口到根橋的最少路徑開銷，以太網的端口開銷值參見前面的表8-1中的內容。圖8-10顯示了根端口的選舉過程。
如圖8-10所示，根端口的所有端口的Path Cost值全部爲0，SW-1 和SW-2 爲非根橋，它們必須選擇一個根端口，SW-2 收到從根橋來的Cost值爲0，加上本身自己的Cost值爲19，獲得1/1端口的Cost爲19，而SW-2的1/2端口從SW-3收到的Cost的值爲19，加上自己本身的Cost值19，總共爲38，所以SW的1/1口爲根橋。同理，SW-3的1/1端口爲根端口。
3）步驟3：選擇一個指定端口
每一個以太網網段連接的端口必須有一個指定端口，每個以太網網段中的端口比較根橋路徑開銷（Root Path Cost），最低值得爲指定端口。
下面將說明一種特殊情況。在圖8-11展示的網絡環境中分爲：網段1、網段2和網段3。
根端口的選舉過程
指定端口的選擇過程
SW-1的端口的根橋路徑開銷均爲0，所有這兩個段的指定端口爲SW-1的1/1和1/2；但是網段3中SW-2和SW-3之間相連的端口的根路徑開銷均爲38，這是必須按照“STP 四步初始化原則”進行比較，最後根據BID的值來決定誰是指定端口。
網段3的SW-2和SW-3之間選擇指定端口比較過程如表8-5所示。
SW-2和SW-3之間選擇指定端口比較
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步 驟
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執 行 內 容
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SW-2
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SW-3
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結 果
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1
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最低的根BID
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32768.11-11-11-11-11-11
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32768.11-11-11-11-11-11
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相等，轉下一步
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2
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最低的根路徑開銷
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38
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38
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相等，轉下一步
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3
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最低的發送方BID
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32768.22-22-22-22-22-22
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32768.33-33-33-33-33-33
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SW-2的BID值低，所以SW-2的1/2爲指定端口
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4
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最低的端口ID
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-
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-
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-
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在啓用Spanning-Tree的交換機，從“推舉了根橋→指定端口→非指定端口來建立一棵無環路樹→根端口→指定端口轉發BPDU配置消息”這個過程結束，而非指定端口阻斷網絡流量。STP關閉端口到轉發流量有5個過程，如下表8-6所示。
交換機端口狀態
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狀 態
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功能與數據幀接收情況
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轉發（Forwarding）
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發送/接收用戶數據；接受從其他接口轉發來的數據幀；學習地址（BID的地址）；不接受BPDU配置信息
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學習（Learning）
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丟棄從端口收到的數據幀；丟棄從其他接口轉發來的數據幀；學習地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息
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監聽（Listening）
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丟棄從端口收到的數據幀；丟棄從其他接口轉發來的數據幀；不學習地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息
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阻斷（Blocking）
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丟棄從端口收到的數據幀；丟棄從其他接口轉發來的數據幀；不學習地址（BID的地址）；接受BPDU配置信息。
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關閉（Disable）
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管理性關閉或線路中斷；丟棄從其他接口轉發來的數據幀；丟棄BPDU轉發數據幀；不學習地址（BID的地址）；不接受BPDU配置信息
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在完全利用思科設備組成的交換網絡中，可以存在7種端口狀態（Cisco私有的PortFast和UplinkFast）。圖8-12展示了各個端口狀態遷移的過程。
STP運算中端口的狀態遷移圖
端口狀態遷移情況比較複雜。假設一個端口從Disable狀態或新接入到網絡中來，這時Disable狀態轉到Blocking狀態，Blocking狀態可以接受BPDU數據，在20秒的信息老化時間後，端口進入Listening。再經過15秒的BPDU數據比較，如果該端口接收到的BPDU數據爲最優先的，則進入Learning狀態。這時如果收到的BPDU數據還是沒有比自己更優先的，則再等15秒的轉發延遲，端口進行轉發狀態，整個過程需要50秒左右。
在上述的各個階段中，如果端口收到比自己更優先的BPDU配置信息，則直接轉入到Blocking狀態。在實際應用中，將一臺電腦插入到啓動了STP功能的交換機上，交換上的端口指示燈爲桔黃色，需要等到20+15+15=50秒，燈才轉爲正常，指示燈爲綠色。這也是爲什麼將客戶端接入交換機後，不能馬上通信的真正原因。
4．生成樹計時器
前面我們已經提到某些狀態到另一種狀態情況，這需要花費時間來判斷最優的BPDU配置信息，STP定義了三中STP定時器，如表8-7所示。
表8-7 生成樹三個計時器屬性
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定 時 器
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功 能 描 述
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默 認 值
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Hello Time
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根橋發送BPDU配置信息的時間間隔
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2秒
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Foreword Delay
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監聽和學習狀態的轉發延時
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15秒
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Max Age
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BPDU配置信息在端口中存儲的時限
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20秒
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Hello Time是根橋發送BPDU更新的時間間隔，默認爲2秒；Forward Delay（轉發延遲）是網橋在監聽和學習狀態時發生的，默認爲15秒（監聽到學習爲15秒，學習到轉發也是15秒）；Max Age網橋存儲BPDU的時間，時間爲20秒，每2秒通過Hello Time來更新，一旦經過20秒時沒有接收到Hello Time來的更新BPDU，網橋端口狀態就要發生變化。
5．拓撲變化後的收斂
當非根橋檢測到拓撲改變時，產生TCN BPDU給上一級網橋，上級網橋收到拓撲改變（TC），回覆拓撲改變確認（TCA），繼續向上傳播TCN BPDU，一直傳播到根橋，告訴根橋拓撲已經改變，根橋收到後，根橋傳播到新的配置BPDU到整個網絡，縮短其他根橋的MAC地址老換時間從300秒（300秒爲交換機默認的MAC老化時間）到指定的轉發延遲時間30秒。
TCN BPDU在以下3種情況發送：
n 當端口轉入轉發狀態而且網橋至少有一個指定端口。
n 當一個端口從轉發或學習狀態到阻斷狀態時候。
n 當指定端口收到TCN BPDU轉發給根橋時。
TCN BPDU的特性如下：
n TCN BPDU僅從根端口發出，配置BPDU僅從指定端口發出。
n TCN BPDU發往根橋方向。
n TCN BPDU使用可靠機制發送給根橋，當一臺網橋發送TCN BPDU，持續發送按照Hello Time間隔發送BDPU，直到上級網橋確認收到帶有拓撲確認標識（TCA）的配置BPDU。
n TCN BPDU只有在拓撲改變時才發送。