STP理論基礎01-背景及概念
一、 STP出現的背景：
STP 是一個用於局域網中消除環路的協議。運行該協議的設備通過彼此交互信息而發現網絡中的環路，並適當對某些端口進行阻塞以消除環路。
首先了解環路造成的危害如下：
1.廣播風暴
2.MAC地址表震盪
3.網絡中的主機會收到重複的數據幀
二、 STP基礎概念：
一根橋、兩度量、三要素、四比較、五角色；
1、 一根橋：
對於一個 STP 網絡，根橋在全網中只有一個，它是整個網絡的邏輯中心，但不一定是物理中心。根橋會根據網絡拓撲的變化而動態變化。
網絡收斂後，根橋會按照一定的時間間隔產生並向外發送配置 BPDU，其他設備僅對該報文進行處理，傳達拓撲變化記錄，從而保證拓撲的穩定。
根橋的選舉規則：
比較橋ID：越小越優先
橋ID分爲兩部分：
1.橋優先級（默認爲32768）越小越優先
2.MAC地址，越小越優先
2、 兩度量：
1）、橋ID（Bridge ID）：
IEEE 802.1D 標準中規定 BID 是由 16 位的橋優先級（Bridge Priority）與橋 MAC 地址構成。 BID 橋優先級佔據高 16 位，其餘的低 48 位是 MAC 地址。在 STP 網絡中，橋 ID 最小的設備會被選舉爲根橋。
2）、端口ID（Port ID）：
PID 由兩部分構成的，高 4 位是端口優先級，低 12 位是端口號。
3、 三要素：
從環形網絡拓撲結構到樹形結構，總體來說有三個要素：根橋、根端口和指定端口。
1）、根橋 RB（Root Bridge）：
根橋就是網橋 ID 最小的橋，通過交互配置 BPDU 協議報文選出最小的 BID。
2）、根端口 RP（Root Port）：
根端口就是去往根橋路徑開銷最小的端口，根端口負責向根橋方向轉發數據，這個端口的選擇標準是依據根路徑開銷判定。在一個運行 STP 協議的設備上根端口有且只有一個，根橋上沒有根端口。
3）、指定端口 DP（Designated Port）：
對一臺交換設備而言，它的指定端口是向下遊交換設備轉發BPDU報文的端口。
注：在拓撲穩定後，只有根端口和指定端口轉發流量，其他的非根非指定端口都處於阻塞（Blocking）狀態，它們只接收 STP 協議報文而不轉發用戶流量。
4、 四比較：
STP 選舉有四個比較原則，構成消息優先級向量： { 根橋 ID，累計根路徑開銷，發送設備 BID，發送端口 PID }。
1）、根橋 ID：
每個 STP 網絡中有且僅有一個根。
2）、累計根路徑開銷：
發送配置 BPDU 的端口到根橋的距離，決定了到根橋的路徑開銷。用來在非根橋上選擇根端口。
3）、發送設備 BID：
發送配置 BPDU 的設備的 BID。當一臺運行 STP 協議的設備要在兩個以上根路徑開銷相等的端口之中選擇根端口時，通過 STP 協議計算，將選擇接收到的配置消息中發送者 BID 較小的那個端口。
4）、發送端口 PID：
發出配置 BPDU 的端口的 PID。用於在根路徑開銷相同的情況下，不阻塞最小 PID 的端口，而是阻塞 PID 值較大的端口。
5、 五角色：
運行STP協議的設備上端口狀態有如下五種：
1）、disabled：
沒有使能STP或者接口down，端口不僅不處理 BPDU 報文，也不轉發用戶流量。
2）、listening：
監聽狀態，確定端口角色，就是一堆選舉（選舉出根橋、根端口和指定端口）。
3）、learning：
學習狀態，設備會根據收到的用戶流量構建 MAC 地址表，但不轉發用戶流量。（防止臨時環路）
4）、blocking：
接受並處理收到的BPDU，端口僅僅接收並處理 BPDU，但不轉發用戶流量。
5）、forwarding：
轉發流量，端口既轉發用戶流量也處理 BPDU 報文。
在STP中，影響端口狀態和端口收斂的3個參數；
1）、Hello Time：
運行 STP 協議的設備發送配置消息 BPDU 的時間間隔，用於設備檢測鏈路是否存在故障。設備每隔 Hello Time 時間會向周圍的設備發送 hello 報文，以確認鏈路是否存在故障。
當網絡拓撲穩定之後，該計時器的修改只有在根橋修改後纔有效。新的根橋會在發出的 BPDU報文中填充適當的字段以向其他非根橋傳遞該計時器修改的信息。但當拓撲變化之後， TCN BPDU 的發送不受這個計時器的管理。
2）、Forward Delay：
設備狀態遷移的延遲時間。鏈路故障引發生成樹的重新計算，新計算得到的配置消息無法立刻傳遍整個網絡，如果新選出的根端口和指定端口立刻就開始轉發數據，可能造成臨時環路。因此，STP 採用了一種狀態遷移機制，新選出的根端口和指定端口要經過 2倍的 Forward Delay延時後才能進入轉發狀態，這個延時保證了新的配置消息傳遍整個網絡，從而防止了臨時環路的產生。
注：Forward Delay Timer 指一個端口處於 Listening 和 Learning 狀態的各自持續時間，默認是 15秒。
3）、Max Age：
端口的 BPDU 報文老化時間。
Max Age 通過配置 BPDU 報文的傳輸，可保證 Max Age 在整網中一致。運行 STP 協議的網絡中非根橋設備收到配置 BPDU 報文後，報文中的 Message Age 和 Max Age 會進行比較：
a、如果 Message Age 小於等於 Max Age，則該非根橋設備繼續轉發配置 BPDU 報文。
b、如果 Message Age 大於 Max Age，則該配置 BPDU 報文將被老化。該非根橋設備直接丟棄該配置 BPDU，可認爲網絡直徑過大，導致根橋連接失敗。
注：如果配置 BPDU 是根橋發出的，則 Message Age 爲 0。否則， Message Age 是從根橋發送到當前橋接收到 BPDU 的總時間，包括傳輸延時等。實際實現中，配置 BPDU 報文經過一個橋，Message Age 增加 1。