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一、为什么要使用STP。
1、二层交换机网络的冗余性与环路。
随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如图，接入层交换机单链路上联，则存在单链路故障，也就是如果这根上联链路发生故障，交换机下联用户就断网了。另一个问题的单点故障，也就是交换机如果宕机，交换机下联用户也就断网了。
为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。
2、人为导致的环路。
在现实中，一些二层环路可能是由于人为的疏忽导致的，例如错误地连接设备之间的互联线缆等。
另一些二层环路可能是由于人为的配置错误导致的，在本例中，网络管理员未将SW1与SW2之间的链路绑定到一个逻辑链路（聚合链路）上，从而引入了二层环路。
3、二层环路带来的问题。
3.1、广播风暴。
根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。
本例中，SW3收到了一个广播帧将其进行泛洪，SW1和SW2也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SW3，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。下面是抓包图：
可以看到大量的广播帧和未知单播帧在链路中泛洪，导致通信受阻。
3.2、MAC地址漂移。
交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。本例中，SW3收到一个广播帧泛洪，SW1从GE0/0/3接口接收到广播帧后学习且泛洪，形成MAC地址5489-98EE-788A与GE0/0/3的映射；SW2收到广播帧后学习且泛洪，SW1再次从GE0/0/2收到源MAC地址为5489-98EE-788A的广播帧并进行学习，5489-98EE-788A会不断地在GE0/0/1与GE0/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。如下图：
4、初识生成树。
在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路。
STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。运行STP算法，判断网络中存在环路的地方并阻断冗余链路，将环路网络修剪成无环路的树型网络，从而避免了数据帧在环路网络中的增生和无穷循环。
生成树还能够动态响应网络拓扑变化调整阻塞接口，交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整。因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。
如上图，交换机上运行STP协议，会通过报文监控网络的拓扑结构，正常情况下是将SW3上的一个接口进行阻塞（Block），从而打破环路，当监控到SW1与SW3之间出现链路故障，则恢复阻塞端口进入转发状态。
二、STP的基本概念。
1、桥ID(BID)。
在STP中，每一台交换机都有一个标示符，叫做BID或者桥ID，IEEE 802.1D标准中规定BID由桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成。每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的BID。BID桥优先级占据高16bit，其余的低48bit是桥MAC地址。在STP网络中，BID最小的设备会被选举为根桥。
华为设备默认的桥优先级是32768，查看BID的方法如下图：
2、根桥。
STP的主要作用之一是在整个交换网络中计算出一棵无环的“树”（STP树）。根桥是一个STP交换网络中的“树根”。STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的“树根”。在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先，拥有最小优先级值的交换机会成为根桥；如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。
对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化，即根桥具备抢夺性。网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。
3、开销(Cost)。
每一个激活了STP的接口都维护着一个Cost值，接口的Cost主要用于计算根路径开销，也就是到达根的开销。接口的缺省Cost除了与其速率、工作模式有关，还与交换机使用的STP Cost计算方法有关。接口带宽越大，则Cost值越小。用户也可以根据需要通过命令调整接口的Cost。
关于Cost的计算方法有三种标准：IEEE 802.1d-1998标准、IEEE 802.1t标准、华为计算方法。华为交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供多厂商场景下最大程度的兼容性。缺省情况下，华为交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。三种标准的详细计算数据见下表：
在一个STP网络中所有的交换机的Cost计算标准应该保持一致。两台交换机的对端接口的Cost值建议保持一致。 下图是在华为交换机上查看接口开销和计算标准：
4、根路径开销(RPC)。
在STP的拓扑计算过程中，一个非常重要的环节就是“丈量”交换机某个接口到根桥的“成本”，也即RPC。一台设备从某个接口到达根桥的RPC等于从根桥到该设备沿途所有入方向接口的Cost累加。在下例中，SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC等于接口1的Cost加上接口2的Cost。
下图是在华为交换机上查看设备RPC，可以看到此设备到根桥的RPC为0，这表示自己就是根桥：
5、接口ID(PID)。
运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。接口ID由两部分构成的，高4 bit是接口优先级，低12 bit是接口编号。激活STP的接口会维护一个缺省的接口优先级，在华为交换机上，该值为128。用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。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。
下图是在华为交换机上查看设备PID，从上到下依次是接口编号和接口优先级：
6、桥接协议数据单元(BPDU)。
BPDU是STP能够正常工作的根本。BPDU是STP的协议报文。STP交换机之间会交互BPDU报文，这些BPDU报文携带着一些重要信息，正是基于这些信息，STP才能够顺利工作。BPDU分为两种类型：
- 配置BPDU（Configuration BPDU）
- TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）
配置BPDU是STP进行拓扑计算的关键，在一个稳定的网络中你只能抓到配置BPDU；TCN BPDU只在网络拓扑发生变更时才会被触发，网络拓扑发生改变时才会抓到TCN BPDU。下表是配置BPDU的报文格式及其字段含义：
| PID | PVI | BPDU Type | Flags | Root ID | RPC | Bridge ID | Port ID | Message Age | Max Age | Hello Time | Forward Delay |
|---|
| 子节 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 2 | PID | 协议ID ，对于STP而言，该字段的值总为0 |
| 1 | PVI | 协议版本ID，对于STP而言，该字段的值总为0 |
| 1 | BPDU Type | 指示本BPDU的类型，若值为0x00，则表示本报文为配置BPDU；若值为0x80，则为TCN BPDU |
| 1 | Flags | 标志，STP只使用了该字段的最高及最低两个比特位，最低位是TC（Topology Change，拓扑变更）标志，最高位是TCA（Topology Change Acknowledgment，拓扑变更确认）标志 |
| 8 | Root ID | 根网桥的桥ID |
| 4 | RPC | 根路径开销，到达根桥的STP Cost |
| 8 | Bridge ID | BPDU发送桥的ID |
| 2 | Port ID | BPDU发送网桥的接口ID（优先级+接口号） |
| 2 | Message Age | 消息寿命，从根网桥发出BPDU之后的秒数，每经过一个网桥都加1，所以它本质上是到达根桥的跳数 |
| 2 | Max Age | 最大寿命，当一段时间未收到任何BPDU，生存期到达最大寿命时，网桥认为该接口连接的链路发生故障。默认20s |
| 2 | Hello Time | 根网桥连续发送的BPDU之间的时间间隔，默认2s |
| 2 | Forward Delay | 转发延迟，在侦听和学习状态所停留的时间间隔，默认15s |
下面是对应的抓包图：
关于STP中Max Age的处理：当非根桥收到根桥的BPDU后，将BPDU中的Message Age+1后，如果等于Max Age直接忽略此BPDU,并且不会在转发此BPDU,通过Max Age配置可以控制STP网络的规模。
三、STP的工作原理。
1、端口角色。
STP中定义了三种端口角色：
- 指定端口（DP）：负责在链路上转发根桥的最好BPDU的端口，一般情况下根桥的所有端口都是DP。在每条链路(每个冲突域)上都会选举一个DP。
- 根端口（RP）：接收来自根桥最优BPDU的端口，根桥，根桥上没有根端口。在每个非根桥设备上都会选举一个RP。
- 预备/阻塞端口（AP）：既不是非根桥的RP，也不是链路的DP，则该端口为block port即阻塞端口。
2、最优的BPDU。
对于STP而言，最重要的工作就是在交换网络中计算出一个无环拓扑。在拓扑计算的过程中，一个非常重要的内容就是配置BPDU的比较。在配置BPDU中，有四个字段非常关键，它们是“根桥ID”、“根路径开销”、“网桥ID”以及“接口ID”，这四个字段便是交换机进行配置BPDU比较的关键内容。STP按照如下顺序选择最优的配置BPDU：
| 字段 | 比较规则 |
|---|---|
| 根桥ID | 最小的根桥ID |
| 根路径开销(RPC) | 最小的RPC |
| 网桥ID | 最小的网桥ID |
| 接口ID | 最小的接口ID |
在这四条原则中（每条原则都对应配置BPDU中的相应字段），第一条原则主要用于在网络中选举根桥，后面的原则主要用于选举根接口及指定接口。
3、STP的计算过程举例。
使用人的思维，快速确定去下面拓扑的端口角色。在开始分析之前先将S1、S2、S3、S4四台交换机的桥优先级依次修改为0、4096、8192、32768。
3.1、选举根桥。
交换机在刚启动时都认为自己是根桥，互相发送配置BPDU进行STP运算。最后发现桥优先级最的是S1所以S1成为根桥。
3.2、选举RP。
以S2为例，因为RP是接收来自根桥最优BPDU的端口，所以首先列出S2两个接口接收的BPDU的关键四字段的值。如下图：
S2的两个接口接收的BPDU分别是S1和S4发送。因为S2的G0/0/1接口接收的是根桥S1的G0/0/1接口直接发送给他的BPDU，所以RPC等于0，BID等于0，PID等于128.1。S2的G0/0/2接口接收的是，根桥S1的G0/0/2接口发送给S2又转发给S4,S4的G0/0/24接口直接发送给它的BPDU，所以RPC需要做一个累加20000+20000=40000，BID等于S4的值为32768，PID等于128.24。
然后再根据上面的四个字段依次比较：RID相同都是0，RPC G0/0/1接口接收到的为0，G0/0/2接口接收到的为40000。G0/0/1 < G0/0/2，G0/0/1成为RP。根据这个规则可以快速选举去其余非根桥交换机的RP。
值得注意的S4在进行RP选举的时候两个接口上接收的BPDU的RPC都是20000，RPC相同接着比较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的更小成为RP。
3.3、选举DP。
以S1和S2这条链路为例，因为DP是负责在链路上转发根桥的最好BPDU的端口。首先列出S1和S2这条链路上两个接口发送的BPDU的关键四字段的值。
和选举RP相同的道理，因为S1是根桥所以它的G0/0/1接口直接发送BPDU，它的RPC等于0，BID等于0，PID等于128.1。S2的G0/0/1接口发送的的BPDU是，根桥S1的G0/0/2接口发送给S2又转发给S4,S4发送给它，它再发送。所以RPC需要做一个累加20000+20000+20000=60000，BID等于自己的值为4096，PID等于128.1。所以很容易比较出S1的G0/0/1接口是DP。根据这个规则可以快速选举去其余非根桥交换机的DP。
3.4、选举AP。
S4的G0/0/22端口自动成为AP。查看交换价端口角色，验证推算。
推算正确，至此S3和S4之间的链路堵塞，环路被打破。
4、STP的接口状态和状态迁移。
STP有五种接口状态如下表：
| 状态名称 | 状态描述 |
|---|---|
| 禁用（Disable） | 该接口不能收发BPDU，也不能收发业务数据帧，例如接口为down |
| 阻塞（Blocking） | 该接口被STP阻塞。处于阻塞状态的接口不能发送BPDU，但是会持续侦听BPDU，而且不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 侦听（Listening） | 当接口处于该状态时，表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口，但接口依然处于STP计算的过程中，此时接口可以收发BPDU，但是不能收发业务数据帧，也不会进行MAC地址学习 |
| 学习（Learning） | 当接口处于该状态时，会侦听业务数据帧（但是不能转发业务数据帧），并且在收到业务数据帧后进行MAC地址学习 |
| 转发（Forwarding） | 处于该状态的接口可以正常地收发业务数据帧，也会进行BPDU处理。接口的角色需是根接口或指定接口才能进入转发状态 |
关于接口状态的迁移参考下图：
接口从阻塞状态进入到侦听状态的时间可以忽略不记，从侦听状态进入到学习状态需要15s，从学习状态到转发状态需要15s,所以一个接口如果需要从阻塞状态到转发状态需大概30s。从侦听、学习、转发状态进入到阻塞状态的时间也是忽略不计。