STP（⽣成树协议）研究（1）：概述、产⽣背景、基础知识⼀、概述 （⼀）为什么引⼊⽣成树协议
以太⽹中，为了进⾏链路备份，提⾼⽹络可靠性，通常会使⽤冗余链路。但是使⽤冗余链路会在交换⽹络中产⽣环路，并导致⼴播风暴（<=⼴播帧或未知单播帧 &交换机转发原理）以及MAC地址表不稳定（<=⼴播帧或未知单播帧 &交换机学习原理&转发原理）等故障现象，从⽽导致⽤户通信质量较差，甚⾄通信中断。为解决交换⽹络中的环路问题，提出了⽣成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。 （⼆）⽣成树协议是什么（从作⽤的⾓度概述）
⽣成树协议通过阻塞冗余链路，将⽹络修剪成树状，达到消除环路的⽬的；同时，当活动路径发⽣故障，⽣成树协议通过激活冗余链路，恢复通信。（作⽤：消除环路、链路备份）
（三）⽣成树协议的发展历程
1、⽣成树协议STP的2种含义
1. 狭义的⽣成树协议STP，是指IEEE80
2.1D中定义的STP协议。
2. ⼴义的⽣成树协议STP，包括IEEE802.1D中定义的STP、IEEE802.1W中定义的RSTP和IEEE802.1S中定义的MSTP。
2、3种⽣成树协议
⽬前，⽣成树协议⽀持如下：
（1）STP
IEEE于1998年发布的802.1D标准定义了STP。
STP是数据链路层的管理协议，⽤于⼆层⽹络的环路检测和预防。STP可阻塞⼆层⽹络中的冗余链路，将⽹络修剪成树状，达到消除环路的⽬的。
但是，STP拓扑收敛速度慢，即使是边缘端⼝也必须等待2倍forward delay的延迟（缺省为30S），端⼝才能迁移到转发状态。
（2）RSTP
IEEE于2001年发布的802.1W标准定义了RSTP。
RSTP在STP的基础上进⾏了改进，实现了⽹络拓扑快速收敛。
但RSTP和STP还存在⼀个共同的缺陷：由于局域⽹内所有的VLAN共享⼀棵⽣成树，因此,⽆法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，还有可能造成部分VLAN的报⽂⽆法转发。
RSTP向下兼容STP协议，可以混合组⽹。
（3）MSTP
IEEE于2002年发布的802.1S标准定义了MSTP。
MSTP把⼀个交换⽹络划分成多个域，每个域内形成多棵⽣成树实例，⽣成树实例之间彼此独⽴，同时，每个域都有⼀个⽣成树实例与VLAN映射表，每个⽣成树实例都对应着⼀个或多个VLAN，⽽每个VLAN只能属于⼀个⽣成树实例。
MSTP不仅能实现消除环路和冗余路径的作⽤，同时在数据转发过程中能够实现VLAN数据的负载均衡（确切地说是多⽣成树实例间的负载均衡）。
MSTP兼容STP和RSTP。
3、3种⽣成树协议⽐较
总结记忆1-为什么：可靠性、冗余链路，环路、⼴播风暴、MAC地址表不稳定，STP
总结记忆2-是什么（作⽤）：阻塞冗余链路，消除环路；故障时，激活冗余链路，恢复通信
总结记忆3-发展历程：狭义&⼴义STP；三种协议的发展历程（作⽤、缺陷和改进）
⼆、STP（狭义）
（⼀）STP出现的背景（为什么，是什么）
以太⽹交换⽹络中为了进⾏链路备份，提⾼⽹络可靠性，通常会使⽤冗余链路。但是使⽤冗余链路会在交换⽹络中产⽣环路，并导致⼴播风暴（⼴播帧或未知单播帧&交换机转发原理）以及MAC地址表不稳定（单播帧&交换机学习原理&转发原理）等故障现象，从⽽导致⽤户通信质量较差。
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。
如下图所⽰，假如主机A向外发送了⼀个单播帧，并且此单播帧的⽬的MAC地址在⽹络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在（即未知单播帧）。SWB接收到此帧后，将其转发到SWA和SWC，SWA和SWC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SWB，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。
1. MAC地址表振荡（或称MAC地址表不稳定）
根据交换机的学习和转发原理，如果交换⽹络中有环路，则⼴播帧或未知单播帧会被⽆限转发，交换机的MAC地址表就会发⽣振荡。
以下图为例，主机A向外发送⼀个单播帧，假设此单播帧的⽬的MAC地址在⽹络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在（即未知单播帧）。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中⽣成⼀个MAC地址表项，00-01-02-03-04-AA，对应端⼝为G0/0/3，并将其从
G0/0/1和G0/0/2端⼝转发。仅以SWB从G0/0/1端⼝转发此帧为例进⾏说明。SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧⽬的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧⽬的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端⼝发送回SWB，也会发给主机B。SWB从G0/0/2接⼝接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除
原有的相关表项，⽣成⼀个新的表项，00-01-02-03-04-AA，对应端⼝为G0/0/2。此过程会不断重复，从⽽导致MAC地址表震荡。slie
为解决交换⽹络中的环路问题以及由环路导致的⼴播风暴、MAC地址表振荡等故障，提出了⽣成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。
STP是⼀个⽤于局域⽹中消除环路的协议。运⾏该协议的交换设备通过彼此交互信息⽽发现⽹络中的环路，并适当对某些端⼝进⾏阻塞（即
阻塞冗余链路）以消除环路。
总结记忆1：为什么引⼊STP；是什么（作⽤⾓度：阻塞冗余链路、消除环路）
（⼆）STP的基本知识
1、STP的基本概念（回顾）
（1）BID（即交换机标识或桥标识）
IEEE802.1D标准中规定，BID是由桥优先级（16b）和桥MAC（48b）构成的。
主要⽤来进⾏根交换机选择、根端⼝选择、指定端⼝选择等。
BID越⼩越优先。
（2）PID（端⼝标识）
规定，PID是由端⼝优先级（4b）和端⼝号（12b）构成的。
主要⽤来进⾏根端⼝选择、指定端⼝选择等。
PID越⼩越优先。
（3）接⼝开销（Port Cost）
昌平草莓大会交换机的每个接⼝都有⼀个接⼝开销参数，此参数表⽰数据从该接⼝发送时的开销值，也就是数据的出接⼝开销。
STP认为从⼀个接⼝接收数据是没有开销的。
接⼝的开销和接⼝的带宽有关，带宽越⾼，开销越⼩。
接⼝开销的计算标准有3种，分别是802.1d，802.1t和华为私有标准，默认情况下采⽤802.1t标准。下图是各标准下的端⼝速率与开销值的对应关系表。（1000M<->20000）
（4）RPC（根路径开销）
有两种说法：马克思主义唯物史观
接⼝的根路径开销，指接⼝到根交换机的最⼩路径开销，即从接⼝到根交换机最⼩路径上的所有出接⼝开销之和。
交换机的根路径开销，指交换机的各个端⼝到根桥的路径开销中最⼩的，也就是根端⼝到根桥的路径开销，也就是该路径上所有出接⼝开销之和。
（5）RB（根桥/根交换机）
树形的⽹络结构必须有树根，于是STP引⼊了根桥（Root Bridge）的概念。
对于⼀个STP⽹络，根桥在全⽹中只有1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变化。
根桥，就是BID最⼩的交换机，通过交互配置BPDU报⽂选出最⼩的BID。
（6）根端⼝对口升学
根端⼝，就是去往根交换机路径开销最⼩的端⼝，即在⼀台设备上所有使能STP的端⼝中，到根交换机的路径开销最⼩者就是根端⼝。
根端⼝的⼀些特点：
风力摆每个⾮根交换机都有且仅有⼀个根端⼝，根交换机上没有根端⼝；
RP端⼝所在⽹段的上游端⼝⼀定是DP端⼝；
在进⾏端⼝⾓⾊计算过程中，先确定RP端⼝⾓⾊，再确定其他端⼝⾓⾊；
根端⼝的最终状态是转发状态，如果是STP模式，端⼝迁移到转发状态需要等待2个FD。
（7）指定端⼝
STP为每个⽹段选出⼀个指定端⼝，⽤于转发由根交换机⽅向发往该⽹段的数据，并且为每个⽹段转发发往根交换机⽅向的数据。
指定端⼝的⼀些特点：
在根交换机上，所有的STP端⼝都是指定端⼝；
指定端⼝所在的交换机称为该⽹段的指定交换机；
指定端⼝的最终状态是转发状态，如果是STP模式，端⼝迁移到转发状态需要等待2个FD。
（8）预备端⼝（Alternate Port）
既不是根端⼝也不是指定端⼝的交换机端⼝称为预备端⼝，也称阻塞端⼝。
预备端⼝不转发数据，处于阻塞状态。
2、STP报⽂
运⾏STP协议的设备彼此交互的信息是BPDU报⽂。
BPDU报⽂被封装在以太⽹数据帧中，⽬的MAC是组播MAC：01-80-C2-00-00-00，Length字段为MAC数据长度，后⾯是LLC
头，IEEE为STP保留了DSAP和SSAP为0x42的值，Control为0x03，LLC之后是BPDU报⽂头。
BPDU分为2⼤类，配置BPDU和拓扑改变通告BPDU。
（1）配置BPDU
配置BPDU是⼀种⼼跳报⽂，只要端⼝使能STP，则配置BPDU就会按照Hello timer周期性从指定端⼝发出（注意初始化和稳定后的区别）；⽤来进⾏⽣成树计算和维护⽣成树拓扑。
配置BPDU在以下3种情况下会产⽣：
1. 收敛之前或初始化阶段：只要端⼝使能STP，配置BPDU就会按照Hello Time定时器规定的间隔从
指定端⼝发出。
2. 收敛之后或稳定后：只有根交换机主动发送配置BPDU；其它交换机的根端⼝收到配置BPDU后，会向⾃⼰的所有指定端⼝发送⾃⼰的
配置BPDU。
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3. 当指定端⼝收到⽐⾃⼰差的配置BPDU时，会⽴刻向下游设备发送⾃⼰的配置BPDU。
（此机制可加速⼀个⽹段有次优设备接⼊时，加速其计算端⼝⾓⾊的过程。场景：两个交换机之间通过集线器相连，⼜加⼊了⼀个次优交换机，就会触发此机制）
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