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1、环路

环路会导致MAC地址表翻摆、广播风暴、多帧复制等现象。环路却能提高网络连接的可靠性。
为了得到环路带来的好处，同时避免因环路产生的灾难性问题，IEEE802.1D中定义了STP（Spanning Tree Protocol）协议。
STP术语：
桥（Bridge）
网桥，泛指具有任意多端口的交换机。

桥的MAC地址（Bridge MAC Address）
通常我们把端口编号最小的端口MAC地址作为整个桥的MAC地址。

桥ID（Bridge Identifier，BID）
BID由两部分组成，桥优先级可以手动设定，缺省值为0x8000（32768）

BID字节1字节2字节3字节4字节5字节6字节7字节8桥优先级桥的MAC地址

端口ID（Port Identifier，PID）
不同设备商采用的PID定义方法可能不同。以下为其中两种定义：
定义一：端口ID由2个字节组成，第1个字节为端口优先级，第2个字节为端口编号。
定义二：前4个比特是端口优先级，后12比特为端口编号。
端口优先级的值是可以手动设定的。

2、STP树的生成

STP协议的基本原理：在一个具有物理环路的交换网络中，交换机通过运行STP协议，自动生成一个没有环路的工作拓扑。该拓扑也称为STP树，树节点为某些特定的交换机，树枝为某些特定的链路。一棵STP树包含了唯一的一个根节点，任何一个节点到根节点的工作路径是唯一且最优的。
STP树的生成过程：选举根桥（Root Bridge）、确定根端口（Root Port，RP）和指定端口（Designated Port，DP）、阻塞备用端口（Alternate Port，AP）。
2.1选举根桥
根桥是STP 树的根节点。要生成一棵STP树，首先要确定一个根桥。根桥是整个交换网络的逻辑中心，当网络拓扑发生变化时，根桥也可能会发生变化。
运行STP协议的交换机会相互交换STP协议帧，这些帧的载荷数据被称为BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）。BPDU的产生着、接收者、处理者都是STP交换机本身，而非终端交换机。BPDU中包含了与STP协议相关的所有信息。
STP交换机启动之后，都会认为自己是根桥，并在发送给别的交换机的BPDU中宣告自己是根桥。当交换机收到从其他设备发送过来的BPDU时，会比较BPDU中指定的根桥BID和自己的BID。交换机不断交互BPDU、比较BID，直到最终选举出一台BID最小的交换机作为根桥。

2.2确定根端口
根桥确定后，其他没有成为根桥的交换机称为非根桥。一台非根桥设备上最多只能有一个根端口。
STP协议把根路径开销作为确定根端口的重要依据。一个运行STP协议的网络中，我们将某个交换机的端口到根桥的累计路径开销称为这个端口的根路径开销（Root Path Cost，RPC）。链路的路径开销（Path Cost）与端口速率有关，端口速率越大，路径开销越小。

端口速率与路径开销对应关系 端口速率路径开销（IEEE802.1t）10Mbit/s2000000100Mbit/s2000001Gbit/s2000010Gbit/s2000 实际中，不同设备厂商采用的标准可能不同。 交换机会把RPC最小的端口确定为自己的根端口。如果非根桥上不同端口的RPC相同，则会比较上行设备的BID，如果BID不同，较小的作为根端口；如果BID相同，比较上行设备的PID，较小的作为根端口。

2.3确定指定端口
当一个网段有两条或两条以上的路径通往根桥时，与该网段相连的交换机就必须确定一个唯一的指定端口。
指定端口也是通过比较RPC来确定的，RPC较小的端口成为指定端口。如果RPC相同，则比较BID，BID小的作为指定端口；如果BID相等，则比较PID，PID小的作为指定端口。

BID大 BID相等 BID小 PID大 PID小 RPC相同 比较交换机的BID 端口作为备用端口 比较交换机的PID 端口作为指定端口 端口作为备用端口 端口作为指定端口

注意：根桥上不存在任何根端口，只存在指定端口。

2.4阻塞备用端口
在确定了根端口和指定端口后，交换机上所有剩余的非根端口和非指定端口统称为备用端口。STP会对这些备用端口进行逻辑阻塞。逻辑阻塞是指这些备用端口不能转发由终端交换机产生并发送的帧，这些帧也被称为用户数据帧。不过，备用端口可以接收并处理STP协议帧。根端口和指定端口既可以发送和接收STP协议帧，也可以转发用户数据帧。
一旦备用端口被逻辑阻塞后，STP树的生成过程便完成了。

3、STP报文格式

STP交换机通过交换STP协议帧来建立和维护STP树，并在网络的物理拓扑发生变化时重建新的STP树。
STP协议帧由STP交换机产生、发送、接收、处理。STP协议帧是一种组播帧，组播地址为01-80-c2-00-00-00
STP协议帧采用了IEEE802.3封装格式，其载荷数据被称为BPDU。BPDU有两种类型：Configuration BPDU 和 TCN（Topology Change Notification) BPDU。

3.1 Configuration BPDU
在初始形成STP树的过程中，各STP交换机都会周期性地主动产生并发送Configuration BPDU。在STP树形成后的稳定期，只有根桥才会周期性地（缺省为2s）主动产生并发送Configuration BPDU，并立即被触发而产生自己的Configuration BPDU，且从自己的指定端口发送出去。这一过程看起来就像是根桥发出的Configuration BPDU逐跳地“经过”了其他的交换机。

BPDU的格式 字段字节数简单说明Protocol Identifier2总是为0x0000Protocol Version Identifier1总是为0x00BPDU Type1BPDU类型： 0x00：Configuration BPDU；0x80：TCN BPDUFlags1网络拓扑变化标志：仅使用了最低位和最高位。最低位为TC（Topology Change）标志；最高位为TCA（TC Acknowledgment）标志Root Identifier8当前根桥的BIDRoot Path Cost4发送该BPDU的端口的RPCBridge Identifier8发送该BPDU的交换机的BIDPort Identifier2发送该BPDU的端口的PIDMessage Age2该BPDU消息的年龄。如果Configuration BPDU是根桥发出的，则Message Age为0.否则，Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。在实际的实现中，Configuration BPDU每“经过”一个桥，Message Age增加1Max Age2BPDU的最大生命周期，缺省为2sHello Time2根桥发送Configuration BPDU的周期，也相应地成为了其他交换机发送Configuration BPDU的周期，缺省为2sForward Delay2控制端口Listening和Learning状态的持续时间，缺省为15s Configuration BPDU中携带的参数可以分为三类：1、BPDU对自身的标识，包括协议标识、版本号、BPDU类型和Flags；2、用于进行STP计算的参数，包括发送该BPDU的交换机的BID，当前根桥的BID，发送该BPDU的端口的PID，以及发送该BPDU的端口的RPC；3、时间参数，分别是Hello Time、Forward Delay、Message Age、Max Age。 Hello Time：交换机发送Configuration BPDU的时间间隔。当网络拓扑及STP树稳定之后，全网使用根桥指定的Hello Time。如果要修改该时间参数，则必须在根桥上修改才有效。 Forward Delay：端口状态迁移的延迟时间。STP树的生成需要一定的时间，在此过程中各交换机的端口状态的变化并不是同步的。如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始进行用户数据帧的转发的话，可能会造成临时工作环路。为此，STP引入了Forward Delay机制：新选出的根端口和指定端口需要经过2倍的Forward Delay延时后才能进入用户数据帧的转发状态，以保证此时的工作拓扑已无环路。 Message Age：指从根桥发出某个Configuration BPDU，一直到这个Configuration BPDU“传”到当前交换机时所需的总时间，包括传输延时等。实际中，Configuration BPDU每“经过”一个桥，Message Age增加1。从根桥发出的Configuration BPDU的Message Age为0。 Max Age：Configuration BPDU的最大生命周期。Max Age的值由根桥指定，缺省值为20s。STP交换机在收到Configuration BPDU后，会对其中的Message Age和Max Age进行比较。如果Message Age≤Max Age，则该Configuration BPDU会触发该交换机产生并发送新的Configuration BPDU，否则该Configuration BPDU会被丢弃，且不会触发该交换机产生并发送新的Configuration BPDU。

3.2 TCN BPDU
TCN BPDU 有三个字段：协议标识、版本号和类型，其中类型字段的值为：0x80.
如果网络中某条链路发生了故障，位于故障点的交换机感知后会以Hello Time为周期不断地向上游交换机发送TCN BPDU，直到接收到上游交换机发来的TCA标志置1的Configuration BPDU。同时上游交换机也会向上游交换机发送TCN BPDU，直到根交换机接收到TCN BPDU。根交换机接收到TCN BPDU 后，会发送TC标志置1 的Configuration BPDU ，通告所有交换机网络拓扑发生了变化。

3.3 STP端口状态
STP的5种端口状态

端口状态说明Disabled无法发送和接收任何帧，端口处于关闭状态Blocking只能接收STP协议帧，不能发送STP协议帧，不能转发用户数据帧Listening可以发送和接收STP协议帧，但不能进行MAC地址学习，也不能转发用户数据帧Learning可以发送和接收STP协议帧，能进行MAC地址学习，不能转发用户数据帧Forwarding可以发送和接收STP协议帧，能进行MAC地址学习，能转发用户数据帧 STP交换机端口在初始启动时，首先从Disabled状态进入Blocking状态，如果端口被选为根端口或指定端口，则进入Listening状态，此时端口可以发送和接收BPDU，这种状态会持续一个Forward Delay时间长度，然后会进入Learning状态，此时端口可以接收和发送STP协议帧，同时开始构建MAC地址表，为转发用户数据帧做好准备。处于Learning状态的端口还不能转发用户数据帧，因为可能存在因STP计算过程不同步而造成的临时环路。经过一个Forwarding Delay时间后，端口进入Forwarding状态。 整个过程中，端口关闭或链路故障，端口会进入Disabled状态；端口状态迁移过程中，一旦端口角色被判定为非根端口或非指定端口，则端口状态会退回到Blocking。

3.4 RSTP
RSTP三种端口状态：Discarding、Learning、Forwarding。
在RSTP计算时，端口成为根端口或指定端口后，端口会首先进入Discarding状态，然后采用P/A机制主动与对端端口进行协商，通过协商并进行相关动作后，就会立即进入Forwarding状态。