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一、爲什麼要使用STP。
1、二層交換機網絡的冗餘性與環路。
隨着局域網規模的不斷擴大，越來越多的交換機被用來實現主機之間的互連。如圖，接入層交換機單鏈路上聯，則存在單鏈路故障，也就是如果這根上聯鏈路發生故障，交換機下聯用戶就斷網了。另一個問題的單點故障，也就是交換機如果宕機，交換機下聯用戶也就斷網了。
爲了解決此類問題，交換機在互連時一般都會使用冗餘鏈路來實現備份。冗餘鏈路雖然增強了網絡的可靠性，但是也會產生環路，而環路會帶來一系列的問題，繼而導致通信質量下降和通信業務中斷等問題。
2、人爲導致的環路。
在現實中，一些二層環路可能是由於人爲的疏忽導致的，例如錯誤地連接設備之間的互聯線纜等。
另一些二層環路可能是由於人爲的配置錯誤導致的，在本例中，網絡管理員未將SW1與SW2之間的鏈路綁定到一個邏輯鏈路（聚合鏈路）上，從而引入了二層環路。
3、二層環路帶來的問題。
3.1、廣播風暴。
根據交換機的轉發原則，如果交換機從一個端口上接收到的是一個廣播幀，或者是一個目的MAC地址未知的單播幀，則會將這個幀向除源端口之外的所有其他端口轉發。如果交換網絡中有環路，則這個幀會被無限轉發，此時便會形成廣播風暴，網絡中也會充斥着重複的數據幀。
本例中，SW3收到了一個廣播幀將其進行泛洪，SW1和SW2也會將此幀轉發到除了接收此幀的其他所有端口，結果此幀又會被再次轉發給SW3，這種循環會一直持續，於是便產生了廣播風暴。交換機性能會因此急速下降，並會導致業務中斷。下面是抓包圖：
可以看到大量的廣播幀和未知單播幀在鏈路中泛洪，導致通信受阻。
3.2、MAC地址漂移。
交換機是根據所接收到的數據幀的源地址和接收端口生成MAC地址表項的。本例中，SW3收到一個廣播幀泛洪，SW1從GE0/0/3接口接收到廣播幀後學習且泛洪，形成MAC地址5489-98EE-788A與GE0/0/3的映射；SW2收到廣播幀後學習且泛洪，SW1再次從GE0/0/2收到源MAC地址爲5489-98EE-788A的廣播幀並進行學習，5489-98EE-788A會不斷地在GE0/0/1與GE0/0/2接口之間來回切換，這被稱爲MAC地址漂移現象。如下圖：
4、初識生成樹。
在網絡中部署生成樹後，交換機之間會進行生成樹協議報文的交互並進行無環拓撲計算，最終將網絡中的某個（或某些）接口進行阻塞（Block），從而打破環路。
STP通過構造一棵樹來消除交換網絡中的環路。運行STP算法，判斷網絡中存在環路的地方並阻斷冗餘鏈路，將環路網絡修剪成無環路的樹型網絡，從而避免了數據幀在環路網絡中的增生和無窮循環。
生成樹還能夠動態響應網絡拓撲變化調整阻塞接口，交換機上運行的生成樹協議會持續監控網絡的拓撲結構，當網絡拓撲結構發生變化時，生成樹能感知到這些變化，並且自動做出調整。因此，生成樹既能解決二層環路問題，也能爲網絡的冗餘性提供一種方案。
如上圖，交換機上運行STP協議，會通過報文監控網絡的拓撲結構，正常情況下是將SW3上的一個接口進行阻塞（Block），從而打破環路，當監控到SW1與SW3之間出現鏈路故障，則恢復阻塞端口進入轉發狀態。
二、STP的基本概念。
1、橋ID(BID)。
在STP中，每一臺交換機都有一個標示符，叫做BID或者橋ID，IEEE 802.1D標準中規定BID由橋優先級（Bridge Priority）與橋MAC地址構成。每一臺運行STP的交換機都擁有一個唯一的BID。BID橋優先級佔據高16bit，其餘的低48bit是橋MAC地址。在STP網絡中，BID最小的設備會被選舉爲根橋。
華爲設備默認的橋優先級是32768，查看BID的方法如下圖：
2、根橋。
STP的主要作用之一是在整個交換網絡中計算出一棵無環的“樹”（STP樹）。根橋是一個STP交換網絡中的“樹根”。STP開始工作後，會在交換網絡中選舉一個根橋，根橋是生成樹進行拓撲計算的重要“參考點”，是STP計算得出的無環拓撲的“樹根”。在STP網絡中，橋ID最小的設備會被選舉爲根橋。在BID的比較過程中，首先比較橋優先級，優先級的值越小，則越優先，擁有最小優先級值的交換機會成爲根橋；如果優先級相等，那麼再比較MAC地址，擁有最小MAC地址的交換機會成爲根橋。
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，即根橋具備搶奪性。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。
3、開銷(Cost)。
每一個激活了STP的接口都維護着一個Cost值，接口的Cost主要用於計算根路徑開銷，也就是到達根的開銷。接口的缺省Cost除了與其速率、工作模式有關，還與交換機使用的STP Cost計算方法有關。接口帶寬越大，則Cost值越小。用戶也可以根據需要通過命令調整接口的Cost。
關於Cost的計算方法有三種標準：IEEE 802.1d-1998標準、IEEE 802.1t標準、華爲計算方法。華爲交換機支持多種STP的路徑開銷計算標準，提供多廠商場景下最大程度的兼容性。缺省情況下，華爲交換機使用IEEE 802.1t標準來計算路徑開銷。三種標準的詳細計算數據見下表：
在一個STP網絡中所有的交換機的Cost計算標準應該保持一致。兩臺交換機的對端接口的Cost值建議保持一致。 下圖是在華爲交換機上查看接口開銷和計算標準：
4、根路徑開銷(RPC)。
在STP的拓撲計算過程中，一個非常重要的環節就是“丈量”交換機某個接口到根橋的“成本”，也即RPC。一臺設備從某個接口到達根橋的RPC等於從根橋到該設備沿途所有入方向接口的Cost累加。在下例中，SW3從GE0/0/1接口到達根橋的RPC等於接口1的Cost加上接口2的Cost。
下圖是在華爲交換機上查看設備RPC，可以看到此設備到根橋的RPC爲0，這表示自己就是根橋：
5、接口ID(PID)。
運行STP的交換機使用接口ID來標識每個接口，接口ID主要用於在特定場景下選舉指定接口。接口ID由兩部分構成的，高4 bit是接口優先級，低12 bit是接口編號。激活STP的接口會維護一個缺省的接口優先級，在華爲交換機上，該值爲128。用戶可以根據實際需要，通過命令修改該優先級。端口優先級取值範圍是0到240，步長爲16，即取值必須爲16的整數倍。
下圖是在華爲交換機上查看設備PID，從上到下依次是接口編號和接口優先級：
6、橋接協議數據單元(BPDU)。
BPDU是STP能夠正常工作的根本。BPDU是STP的協議報文。STP交換機之間會交互BPDU報文，這些BPDU報文攜帶着一些重要信息，正是基於這些信息，STP才能夠順利工作。BPDU分爲兩種類型：
- 配置BPDU（Configuration BPDU）
- TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）
配置BPDU是STP進行拓撲計算的關鍵，在一個穩定的網絡中你只能抓到配置BPDU；TCN BPDU只在網絡拓撲發生變更時纔會被觸發，網絡拓撲發生改變時纔會抓到TCN BPDU。下表是配置BPDU的報文格式及其字段含義：
| PID | PVI | BPDU Type | Flags | Root ID | RPC | Bridge ID | Port ID | Message Age | Max Age | Hello Time | Forward Delay |
|---|
| 子節 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 2 | PID | 協議ID ，對於STP而言，該字段的值總爲0 |
| 1 | PVI | 協議版本ID，對於STP而言，該字段的值總爲0 |
| 1 | BPDU Type | 指示本BPDU的類型，若值爲0x00，則表示本報文爲配置BPDU；若值爲0x80，則爲TCN BPDU |
| 1 | Flags | 標誌，STP只使用了該字段的最高及最低兩個比特位，最低位是TC（Topology Change，拓撲變更）標誌，最高位是TCA（Topology Change Acknowledgment，拓撲變更確認）標誌 |
| 8 | Root ID | 根網橋的橋ID |
| 4 | RPC | 根路徑開銷，到達根橋的STP Cost |
| 8 | Bridge ID | BPDU發送橋的ID |
| 2 | Port ID | BPDU發送網橋的接口ID（優先級+接口號） |
| 2 | Message Age | 消息壽命，從根網橋發出BPDU之後的秒數，每經過一個網橋都加1，所以它本質上是到達根橋的跳數 |
| 2 | Max Age | 最大壽命，當一段時間未收到任何BPDU，生存期到達最大壽命時，網橋認爲該接口連接的鏈路發生故障。默認20s |
| 2 | Hello Time | 根網橋連續發送的BPDU之間的時間間隔，默認2s |
| 2 | Forward Delay | 轉發延遲，在偵聽和學習狀態所停留的時間間隔，默認15s |
下面是對應的抓包圖：
關於STP中Max Age的處理：當非根橋收到根橋的BPDU後，將BPDU中的Message Age+1後，如果等於Max Age直接忽略此BPDU,並且不會在轉發此BPDU,通過Max Age配置可以控制STP網絡的規模。
三、STP的工作原理。
1、端口角色。
STP中定義了三種端口角色：
- 指定端口（DP）：負責在鏈路上轉發根橋的最好BPDU的端口，一般情況下根橋的所有端口都是DP。在每條鏈路(每個衝突域)上都會選舉一個DP。
- 根端口（RP）：接收來自根橋最優BPDU的端口，根橋，根橋上沒有根端口。在每個非根橋設備上都會選舉一個RP。
- 預備/阻塞端口（AP）：既不是非根橋的RP，也不是鏈路的DP，則該端口爲block port即阻塞端口。
2、最優的BPDU。
對於STP而言，最重要的工作就是在交換網絡中計算出一個無環拓撲。在拓撲計算的過程中，一個非常重要的內容就是配置BPDU的比較。在配置BPDU中，有四個字段非常關鍵，它們是“根橋ID”、“根路徑開銷”、“網橋ID”以及“接口ID”，這四個字段便是交換機進行配置BPDU比較的關鍵內容。STP按照如下順序選擇最優的配置BPDU：
| 字段 | 比較規則 |
|---|---|
| 根橋ID | 最小的根橋ID |
| 根路徑開銷(RPC) | 最小的RPC |
| 網橋ID | 最小的網橋ID |
| 接口ID | 最小的接口ID |
在這四條原則中（每條原則都對應配置BPDU中的相應字段），第一條原則主要用於在網絡中選舉根橋，後面的原則主要用於選舉根接口及指定接口。
3、STP的計算過程舉例。
使用人的思維，快速確定去下面拓撲的端口角色。在開始分析之前先將S1、S2、S3、S4四臺交換機的橋優先級依次修改爲0、4096、8192、32768。
3.1、選舉根橋。
交換機在剛啓動時都認爲自己是根橋，互相發送配置BPDU進行STP運算。最後發現橋優先級最的是S1所以S1成爲根橋。
3.2、選舉RP。
以S2爲例，因爲RP是接收來自根橋最優BPDU的端口，所以首先列出S2兩個接口接收的BPDU的關鍵四字段的值。如下圖：
S2的兩個接口接收的BPDU分別是S1和S4發送。因爲S2的G0/0/1接口接收的是根橋S1的G0/0/1接口直接發送給他的BPDU，所以RPC等於0，BID等於0，PID等於128.1。S2的G0/0/2接口接收的是，根橋S1的G0/0/2接口發送給S2又轉發給S4,S4的G0/0/24接口直接發送給它的BPDU，所以RPC需要做一個累加20000+20000=40000，BID等於S4的值爲32768，PID等於128.24。
然後再根據上面的四個字段依次比較：RID相同都是0，RPC G0/0/1接口接收到的爲0，G0/0/2接口接收到的爲40000。G0/0/1 < G0/0/2，G0/0/1成爲RP。根據這個規則可以快速選舉去其餘非根橋交換機的RP。
值得注意的S4在進行RP選舉的時候兩個接口上接收的BPDU的RPC都是20000，RPC相同接着比較BID。G0/0/24接口接收BPDU的BID是S2的4096，G0/0/22接口接收的BPDU的BID是S3的8192。所以G0/0/24的更小成爲RP。
3.3、選舉DP。
以S1和S2這條鏈路爲例，因爲DP是負責在鏈路上轉發根橋的最好BPDU的端口。首先列出S1和S2這條鏈路上兩個接口發送的BPDU的關鍵四字段的值。
和選舉RP相同的道理，因爲S1是根橋所以它的G0/0/1接口直接發送BPDU，它的RPC等於0，BID等於0，PID等於128.1。S2的G0/0/1接口發送的的BPDU是，根橋S1的G0/0/2接口發送給S2又轉發給S4,S4發送給它，它再發送。所以RPC需要做一個累加20000+20000+20000=60000，BID等於自己的值爲4096，PID等於128.1。所以很容易比較出S1的G0/0/1接口是DP。根據這個規則可以快速選舉去其餘非根橋交換機的DP。
3.4、選舉AP。
S4的G0/0/22端口自動成爲AP。查看交換價端口角色，驗證推算。
推算正確，至此S3和S4之間的鏈路堵塞，環路被打破。
4、STP的接口狀態和狀態遷移。
STP有五種接口狀態如下表：
| 狀態名稱 | 狀態描述 |
|---|---|
| 禁用（Disable） | 該接口不能收發BPDU，也不能收發業務數據幀，例如接口爲down |
| 阻塞（Blocking） | 該接口被STP阻塞。處於阻塞狀態的接口不能發送BPDU，但是會持續偵聽BPDU，而且不能收發業務數據幀，也不會進行MAC地址學習 |
| 偵聽（Listening） | 當接口處於該狀態時，表明STP初步認定該接口爲根接口或指定接口，但接口依然處於STP計算的過程中，此時接口可以收發BPDU，但是不能收發業務數據幀，也不會進行MAC地址學習 |
| 學習（Learning） | 當接口處於該狀態時，會偵聽業務數據幀（但是不能轉發業務數據幀），並且在收到業務數據幀後進行MAC地址學習 |
| 轉發（Forwarding） | 處於該狀態的接口可以正常地收發業務數據幀，也會進行BPDU處理。接口的角色需是根接口或指定接口才能進入轉發狀態 |
關於接口狀態的遷移參考下圖：
接口從阻塞狀態進入到偵聽狀態的時間可以忽略不記，從偵聽狀態進入到學習狀態需要15s，從學習狀態到轉發狀態需要15s,所以一個接口如果需要從阻塞狀態到轉發狀態需大概30s。從偵聽、學習、轉發狀態進入到阻塞狀態的時間也是忽略不計。