一 stp
網絡的冗餘性設計主要包括兩個方面：關鍵設備冗餘，以及關鍵鏈路冗餘。
如何在保證網絡的冗餘性情況下，消除二層環路，是本章的重點。
Stp（生成樹協議）在802.1D中定義，RSTP（快速生成樹協議）在802.1w中定義，MSTP（多生成樹協議）在802.1s中定義。
1 STP基本概念
（1） 橋ID：每一臺運行STP的交換機都擁有一個唯一的橋ID，該值一共8byte，包含16bit的優先級（高16bit）和48bit的橋MAC地址。
（2） 根橋：STP的主要作用就是在整個交換網絡中計算出一顆無環的STP樹，其中樹根即根橋很重要，STP的一系列計算均已根橋爲參考點。一個交換網絡中只有一個根橋。網絡中最小橋ID的交換機將成爲根橋，其次比較的是MAC地址，MAC地址最小的交換機將成爲根橋。
（3） 開銷（Cost）與跟路徑開銷（Root Path Cost，RPC）：每一個激活了Stp的接口都會維護一個Cost值，用來計算RPC。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STP Cost計算方法有關。華爲交換機支持3種STP cost計算方法，分別爲IEEE802.1D-1998標準，IEEE802.1t標準，以及華爲的私有計算方法。
網絡中所有STP設備使用的Cost計算方法要一致。
2 STP的基本操作過程
STP通過4個步驟來保證網絡中不存在二層環路
（1） 在交換網絡中選出一個根橋（Root Bridge，RB）
對於一個交換網絡而言，正常情況下只會存在一個根橋，根橋的地位具有可搶佔性。
（2） 在每個非根橋上選取一個根接口（Root Port，RP）
在一個交換網絡中除了根橋，其他交換機都是非根橋，STP將爲每個非根橋選舉一個根接口，所謂根接口，實際上就是非根橋上所有接口中收到最優BPDU的接口，可以理解爲交換機在STP樹上朝向根橋的接口。非根橋可能會有一個或者多個接口接入同一個交換網絡，STP將在這些接口中選舉出一個根接口。STP收斂完成後，根橋依然會週期性的向網絡中發送BPDU，而非根橋則會週期性的在自己的根接口上收到BPDU，並沿着STP樹向下遊轉發。
（3） 選舉指定接口
STP會在每個網段中選舉一個指定接口，這個接口是該網段內所有接口中到達根橋的最優接口，此外指定接口還負責向該網段發送BPDU。對於非根橋而言，其所有接口中收到最有BPDU的接口將成爲該設備的根接口，隨後該非根橋設備使用自己接收的最有BPDU，爲本設備上的其他接口各計算一個BPDU，然後使用計算出來的BPDU與接口上所維護的BPDU進行（接口本身也會從網絡中收到BPDU並保存）比較，若前者更優，那麼該接口將成爲指定接口，並且其所保存的BPDU也被前者代替，交換機將新的BPDU從指定接口發送給下游交換機，若後者更優，那麼該接口將成爲非指定接口（非指定接口既不是根接口也不是指定接口）。
對於非根橋而言，根接口的選舉過程是非根橋將自己所接受到的所有BPDU進行比較，而指定接口的選舉過程則是非根橋用自己計算出的BPDU跟別的設備發過來的BPDU進行比較。
（4） 阻塞非指定接口，打破二層環路
經STP計算，如果交換機上的某個（或者某些）接口既不是根接口也不是指定接口（稱之爲非指定接口），那麼該接口將被STP阻塞，如此網絡中的二層環路就被打破了。被阻塞的非指定接不會發送BPDU報文，只會持續偵聽BPDU報文，更不會發送業務數據。
3 STP報文
BPDU有兩種：配置BPDU以及TCN BPDU。
BPDU報文直接封裝在以太網數據幀內，數據幀的目的MAC地址是組播MAC地址：0180-c200-0000
（1） 配置BPDU
在收斂過程中，每臺交換機都從自己激活了STP的接口向外發送配置BPDU。收斂完成後，只有根橋纔會週期性的發送配置BPDU（缺省週期爲2s），非根橋在自己的根接口上收到上游的配置BPDU後，立即被觸發產生自己的配置BPDU，然後從指定接口上發送出去。
（2） TCN BPDU
TCN BPDU的格式非常簡單，只有上表中的協議ID，協議版本ID以及BPDU類型三個字段。TCN BPDU用於在網絡拓撲發生變化時向根橋通知變化的發生。當網絡拓撲發生變化時，遠離變化點的交換機無法直接感知變化的發生，其MAC地址表項也就無法快速刷新。故STP需要一種機制，用於在網絡拓撲發生變化時，促使全網交換機儘快老化自己的MAC地址表項。
1） TCN BPDU需要從發現拓撲變更的交換機傳遞到根橋，該報文會一級一級的通過上游交換機向上遊傳遞至根橋。
2） 上有交換機在收到下游交換機發送的TCN BPDU後，需要使用TCA比特位爲1的配置BPDU進行迴應，以確保TCN BPDU傳遞過程的可靠性。
3） 根橋收到TCN BPDU後，會向全網泛洪“標誌”字段中TC比特位被置爲1的配置BPDU，網絡中的交換機在收到該配置BPDU後，立即將其MAC地址表的老化時間從原有值調整爲一個較小值，以便MAC地址表項儘快刷新。
4 STP的時間參數
Hello Time（hello時間）：運行STP的交換機發送配置BPDU時間間隔，缺省爲2s。如需要修改，必須在根橋上修改，修改完成後，所有非根橋都與根橋對其該時間。
Forward Delay（轉發延遲）：運行STP的接口從偵聽狀態進入學習狀態，或從學習狀態進入轉發狀態的延遲時間，缺省爲15s。爲避免在生成樹收斂過程中形成臨時環路，STP定義了偵聽和學習兩種接口狀態，並要求接口從阻塞狀態進入轉發狀態前必須經歷這兩個狀態，而且分別在這兩個狀態停留一個轉發延遲時間。
Max Age（最大生存時間）：BPDU的最大生存時間，也被稱爲BPDU的老化時間，缺省爲20s。
以非根橋的根接口爲例，該設備將爲所保存的來自上游的最有BPDU關聯一個最大生存時間，如果在BPDU達到最大生存時間之前，接口再一次收到BPDU，其最大生存時間將被重置，如果一直到過了最大生存時間還沒有收到新的BPDU，那麼該BPDU會被老化，設備會在接口上重新選擇最優BPDU，也就是重新進行根接口的選舉。
受限於這幾個時間參數的限制，一個STP口從阻塞狀態進入轉發狀態可能需要花費30-50s左右，期間網絡中的業務會受影響。
5 BPDU的比較原則
STP按照如下順序選擇出最優的BPDU
（1） 最小的根橋ID
（2） 最小的RPC
（3） 最小的網橋ID
（4） 最小的接口ID
第一條原則主要用於網絡中根橋選舉，後面的原則主要用於選舉根接口以及指定接口。
6 BPDU的交互與拓撲計算
初始情況下，交換網絡中的所有交換機都認爲自己是根橋，這些設備開始運行後從自己所有激活了STP的接口發送BPDU。如山圖示。（只展示BPDU中最重要的四個字段）
（1） 由於兩者均認爲自己是根橋，故他們在各自發送的BPDU中，根橋字段均爲自己的橋ID，RPC字段均爲0。網橋ID均爲該BPDU發送者的橋ID，接口ID均爲發送該BPDU的接口ID。
（2） SW1和SW2都將收到來自對方的BPDU，接下來開始將對方的BPDU與自己接口上的BPDU進行比，該過程即爲根橋選舉。結果是SW1勝出。
（3） 接下來SW2將開始根接口選舉。由於SW2在G0/0/3和G0/0/4接口上收到的BPDU都比自己本地BPDU更優，因此使用對方的BPDU來更新本地的BPDU。然後SW2將比較自己所有接口上的BPDU，擁有最有BPDU的接口成爲根接口。
（4） SW2根接口選舉出來後，它使用當前在根接口上保存的最優BPDU爲其他接口計算BPDU。如下圖示，G0/0/4當前保存在BPDU比SW2爲G0/0/4計算出來的BPDU更優，於是G0/0/4被認定爲非指定接口，被阻塞。
（5） 至此收斂完成
7 STP接口狀態
STP定義了五種接口狀態
二 RSTP
STP是一個比較老舊的標準，它收斂慢，端口狀態定義繁冗，對拓撲變化的感知依賴計時器。
RSTP即快速生成樹協議，他引入了新的接口角色，其中替代接口的引入使交換機在根接口失效時，可以立即獲得新的路徑到達根橋。引入P/A機制，使得指定接口被選舉產生後可以快速的進入轉發狀態，不用像STP一樣經歷轉發延遲時間。它還引入了邊緣接口概念，使交換機連接終端設備的接口在初始化之後可以立即進入轉發狀態。
1 RSTP接口角色
替代接口：可以理解爲根接口的備份，他是一臺設備上由於收到其他設備發送的BPDU從而被阻塞的接口。如果根接口發生故障，那麼替代接口將成爲新的根接口。
備份接口：備份接口是一臺設備上由於收到了自己所發送的BPDU從而被阻塞的接口。如果一臺交換機擁有多個接口接入同一個網段，並在這些接口中有一個被選爲該網段制定接口，那麼這些接口中的其他接口將被選舉爲備份接口，備份接口將作爲該網段到達根橋的冗餘接口，缺省爲丟棄狀態。
2 RSTP接口狀態
3 BPDU
RSTP的配置BPDU稱爲RST BPDU，格式與STP的配置BPDU大體相同，只是個別字段做了修改。對於RST BPDU來說，協議版本ID字段值爲0x02，BPDU類型字段值爲0x02。標誌字段共8bit，STP只使用了其中的最低和最高比特位，而RSTP將剩餘的6bit也使用上了。
Aggrement以及Proposal比特位用於RSTP的P/A機制。Port Role用於標識RST BPDU發送接口的接口角色，01表示根接口，10表示替代接口，11表示指定接口，00保留。Forwarding以及Learning用於表示該RST BPDU發送接口的接口狀態。
與STP不同的是，在RSTP中，無論是根橋還是非根橋，都會週期性的發送配置BPDU。也就是說對於非根橋而言，它不用在根接口上收到BPDU後才觸發產生自己的配置BPDU，而是自發的週期性的發送BPDU。
RSTP在BPDU的處理上的另一個改進是對於次優BPDU的處理。STP的指定接口在收到次優BPDU時，將立即發送自己的BPDU，STP的非指定接口在收到次優BPDU時他將等待接口所保存的BPDU老化之後，再重新計算新的BPDU，並將新的BPDU發送出去，這將導致20s的狀態遷移時間；在RSTP中，無論接口角色如何，只要接口接收到次優BPDU，便立即發送自己的BPDU，這使得RSTP收斂的更快。
4 邊緣接口
一個接口配置爲邊緣接口後，該接口依然會週期性的發送BPDU（可使用stp bpdu-filter enable命令，使用後接口不再發送BPDU，當其收到BPDU後也會忽略）。邊緣接口缺省不參與生成樹計算，當邊緣接口被激活之後，他可以立即切換到轉發狀態並開始收發業務流量，而不用經歷轉發延遲時間，另外邊緣接口的關閉或者激活不會觸發RSTP的拓撲變更。當某接口連接的是終端設備如服務器或者PC時，這些接口在啓動過之後不需要經歷狀態遷移或者是經歷轉發延遲，此時可以直接將這些接口配置爲邊緣接口。
5 P/A機制
RSTP通過P/A（Proposal/Agreement）機制來保證一個指定接口得以從丟棄狀態快速進入轉發狀態，從而加速生成樹收斂，它是一種握手機制。
如上圖示，網絡中運行的是RSTP，當SW1和SW2之間新增一條鏈路後。
（1） SW1和SW2立即在各自接口上發送BPDU，初始時雙方均認爲自己是根橋，如圖10-25（一）。
（2） 經過BPDU交互後，SW1當選爲根橋。SW1的G0/0/1爲指定接口，SW2的G0/0/2爲根接口，該接口立即停止發送BPDU，都進入丟棄狀態。
（3） 接下來P/A機制將發生。由於SW1的G0/0/1接口爲指定接口且處於丟棄狀態，故SW1從G0/0/1發送Proposal置位的BPDU，如圖10-25（二）
（4） SW2收到Proposal置位的BPDU後，立即啓動一個同步機制。此時RSTP的機制是確保指定接口（SW1的G0/0/1）可以快速進入轉發狀態，爲了達到這個目的必須確保該接口進入轉發狀態後網絡中無環路。故此時SW2要做的是先將本地所有非邊緣接口全部阻塞，然後大幅SW1他這裏不存在環路。
已經處於丟棄狀態的接口缺省已完成同步，而邊緣接口不參與該過程，除此之外，交換機處於轉發狀態的指定接口需要切換到丟棄狀態以便完成同步，如圖10-25（二）。
G0/0/3是邊緣接口，G0/0/4是非邊緣指定接口將進入丟棄狀態。
（5） 現在SW2的所有接口都已完成同步，本地接口已不存在環路，他立即將根接口G0/0/2切換到轉發狀態，並向SW1發送Agreement置位的BPDU。
（6） SW1在收到Agreement置位的BPDU後，立即將G0/0/1切換到轉發狀態，此時PC1和PC2便可實現通信。
（7） 整個P/A過程非常快，另外由於SW2的指定接口G0/0/4仍處於丟棄狀態，因此該接口會向下遊交換機發起一個P/A過程，具體操作不再贅述。
6 保護功能
（1） BPDU保護
當邊緣接口收到BPDU後，該接口立即變成一個普通RSTP接口，這個過程可能引發網絡中RSTP重新計算，從而對網絡產生影響。通過在交換機上激活BPDU保護功能可解決該問題。當交換機激活該功能後，如果邊緣接口收到BPDU，則交換機立即把接口關閉，同時觸發告警。
（2） 根保護
在一個RSTP網絡中，根橋的地位很重要。如果根橋發生變化，勢必導致RSTP重新計算。根橋是可搶佔的。部署根保護功能可保證根橋的穩定性。
在根橋的指定接口上激活根保護功能後，該接口如果收到更優的BPDU，則會忽略這些BPDU，並且將該接口切換到丟棄狀態，如果接口不再收到更優的BPDU，則過一段時間後（通常爲兩倍的轉發延遲時間），接口會自動恢復到轉發狀態。注意，根保護功能只有在指定接口上激活纔有效。
（3） 環路保護
對於交換機的根接口以及處於丟棄狀態的替代接口，當網絡正常時，這些接口會持續收到BPDU，而當網絡中出現鏈路單向故障（如光纖單通）或者網絡擁塞問題時，這些接口將無法持續收到BPDU，便會導致交換機重新計算RSTP，此時接口角色以及狀態便會發生改變，有可能會引入環路。使用環路保護功能可以規避該問題。
1） 在根接口上激活環路保護功能後，如果該接口長時間沒有收到BPDU，那麼交換機會重新選舉根接口並將該接口的角色調整爲指定接口，此時交換機會將該接口的狀態切換到丟棄狀態，從而避免環路產生。
2） 在替代接口上激活環路保護功能後，如果該接口長時間沒有收到BPDU，那麼交換機會將該接口的角色調整爲指定接口，但是將其狀態保持在丟棄狀態，從而避免環路。
（4） 拓撲變更保護
一個穩定的交換網絡是不會頻繁出現拓撲變更的，一旦網絡出現變更，TC BPDU將會泛洪到全網，這些TC BPDU將會觸發網絡中的交換機執行MAC地址表刪除操作。如果網絡極不穩定，導致TC BPDU頻繁泛洪，或者網絡中存在攻擊者發送大量TC BPDI攻擊網絡，那麼交換機的性能將受到極大影響。交換機激活拓撲變更保護後，將在單位時間（缺省2s）內只進行一定次數的TC BPDU處理，對超出部分，則必須等待一段時間後進行處理。
三 MSTP
背景：如下圖10-32所示。SW1，SW2，SW3都運行STP，後者RSTP，那麼無論網絡中存在多少個VLAN，這些VLAN都是用一顆相同的生成樹，也就是說STP，RSTP不會針對不同VLAN執行單獨的生成樹計算。如下圖示，所有流量均從SW3至SW1通過，而SW3，SW2這條鏈路幾乎不承載任何業務，這樣無法使資源得到有效的利用。
解決方法：IEEE 802.1s定義了MSTP（多實例生成樹）協議。該協議兼容STP以及RSTP。該協議不是基於VLAN，而是基於Instance（實例）運行的。所謂Instance，也即一個或多個VLAN的集合。可以將一個或多個VLAN映射到一個Instance，然後MSTP基於該Instance計算生成樹。基於Instance計算出的生成樹被稱爲MSTI（多生成樹實例），映射到同一個Instance的VLAN共享一顆生成樹。可以針對MSTI進行主根橋，次根橋，接口優先級或cost等相關配置。MSTP引入了域的概念，可以將一個大型交換網絡劃分成多個MST域（多生成樹域）。