​ 在体量较大的网络中，线路往往错综复杂，物理上存在大量环路，会引发大量问题，STP协议便是在二层进行逻辑上防环。

​ 生成树协议（STP）中，交换设备被称之为桥，优先级最高的被选为根桥，根据拓扑计算实现逻辑上阻塞冗余链路，消除环路，同时这样也有个好处，当某条活跃链路发生故障时，可以激活冗余链路，恢复网络连通性，具有一定的HA。

BPDU

​ 生成树协议所用的信息段，被封装在以太网数据帧中，根据场景可分为配置BPDU与TCN BPDU。

​ 配置BPDU用于生成树计算和维护拓扑，后文提到的BPDU除非特殊说明皆为配置BPDU，其中包含主要包含这些信息：

  • Root Identifier：当前根桥的BID

  • Root Path Cost：根路径开销。一个端口变量，表示到达根桥的开销，计算方式为去往根桥所经过端口路径开销的总和。

  • Bridge Identifier：本设备的BID。

  • Port Identifier：发送该BPDU的端口ID。PID由两部分组成，端口优先级与端口号。

    ​ 端口优先级占4位，步长为16，范围是0~240，默认值为128。

  • Message age：BPDU的传播周期。

  • Max age：BPDU最大生存周期，默认为20秒，当Message age大于Max age时，BPDU将被丢弃。

  • Hello time：发送BPDU的间隔时间，默认值为2秒，当拓扑稳定后，根桥负责发送此信息，如需更改此值，必须在根桥上修改才有效。

  • Forward Delay time：设备状态迁移时间，默认为15秒。

​ TCN BPDU是用于下游拓扑变化时向上游发送通知（TC置为1），根节点收到后回复（TCA置为1）并广播（TC置为1的BPDU），直到所有交换设备知晓拓扑变化。

端口角色

​ STP中的端口角色有种：

  • 根端口：去往根端口路径开销最小的端口。
  • 指定端口：转发信息的端口，包含根端口。
  • 阻塞端口：未被选举为根端口或指定端口的端口，不转发，只接收BPDU。

端口状态

​ STP的端口状态：

  • Disabled：端口状态为Down，不处理BPDU报文，也不转发用户流量。
  • Listening：过渡状态，进行生成树计算，端口开始接收BPDU，但不转发用户流量。
  • Learning：过渡状态，建立无环的MAC地址转发表，不转发用户流量，防止环路。
  • Forwarding：端口可以接收和发送BPDU，也可以转发用户流量。
  • Blocking：阻塞状态，此状态下不转发用户流量，只接收处理BPDU。

拓扑计算

​ 根桥选举：

​ 网络中所有交换机启动时都认为自己是根桥，所有端口皆为指定端口，交互信息，比较BID（数值越小优先级越高），如果相同则比较MAC地址，越小越优先。

​ 根端口选举：

​ 先比较开销值，选最小的。如果两个及以上链路连接同一台交换机。选择PID最小的端口。

​ 指定端口选举：

​ 先比较累计路径开销，最小的为指定端口，如果相同比较BID，依然相同则比较PID。

​ 选举过程：

  1. 选举一个根桥；
  2. 每个非根交换机选举一个根端口；
  3. 每个网段选举一个指定端口；
  4. 阻塞预备端口（非根、非指定端口；
  5. 收敛完成后，根桥每隔一个hello time发送BPDU，非根桥进行中继。