定义
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上产⽣环路，并导致⼴播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，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)。
STP包含两种含义：
狭义的STP是指IEEE 802.1D中定义的STP协议。
⼴义的STP包括IEEE 802.1D中定义的STP、IEEE 802.1W中定义的快速⽣成树协议RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)和IEEE 802.1S中定义的多⽣成树协议MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol)。
⽬前，⽣成树协议⽀持如下：
STPIEEE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，ST
P拓扑收敛速度慢，即使是边缘端⼝也必须等待两倍forward delay定时器的时间(缺省为30秒)延迟，端⼝才能迁移到转发状态。
RSTPIEEE于2001年发布的802.1W标准定义了RSTP。RSTP在STP基础上进⾏了改进，实现了⽹络拓扑快速收敛。但RSTP和STP 还存在同⼀个缺陷：由于局域⽹内所有的VLAN(Virtual Local Area Network)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。
MSTPIEEE于2002年发布的802.1S标准定义了MSTP。MSTP通过设置VLAN映射表(即VLAN和⽣成树实例的对应关系表)，把VLAN和⽣成树实例联系起来。同时它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。
MSTP将环路⽹络修剪成为⼀个⽆环的树形⽹络，避免报⽂在环路⽹络中的增⽣和⽆限循环，同时还提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。MSTP兼容STP和RSTP。三种⽣成树协议的⽐较如表1所⽰。陈舜瑶
⽬的
在以太⽹交换⽹中部署⽣成树协议后，如果⽹络中出现环路，⽣成树协议通过拓扑计算，可实现：
消除环路：通过阻塞冗余链路消除⽹络中可能存在的⽹络通信环路。
链路备份：当前活动的路径发⽣故障时，激活冗余备份链路，恢复⽹络连通性。
STP出现的背景
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以消除环路。由于局域⽹规模的不断增长，⽣成树协议已经成为了当前最重要的局域⽹协议之⼀。 图1 典型局域⽹络⽰意图
如图1所⽰⽹络中，会产⽣如下两种情况：
⼴播风暴导致⽹络不可⽤。环路产⽣⼴播风暴，这是众所周知的。图1中，假设交换设备上没有启⽤STP协议。如果HostA发出⼴播请求，那么⼴播报⽂将被其他两台交换设备的端⼝port1接收，并分别从端⼝port2⼴播出去，然后端⼝port2⼜收到另⼀台交换设备发过来的⼴播报⽂，再分别从两台交换设备的端⼝port1转发，如此反复，最终导致整个⽹络资源被耗尽，⽹络瘫痪不可⽤。
MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏。如图1所⽰，即使是单播报⽂，也有可能导致交换设备的MAC地址表项混乱，以致破坏交换设备的MAC地址表。假设图1所⽰的⽹络中没有⼴播风暴，HostA发送⼀个单播报⽂给HostB，如果此时HostB临时从⽹络中移去，那么交换设备上有关HostB的MAC地址表项也将被删除。此时HostA发给HostB的单播报⽂，将被交换设备S1的端⼝port1接收，由于S1上没有相应的MAC地址转发表项，该单播报⽂将被转发到端⼝port2上，然后交换设备S2的端⼝port2⼜收到从对端port2端⼝发来的单播报⽂，然后⼜从port1发出去。如此反复，在两台交换设备上，由于不间断地从端⼝port1、port2收到主机A发来的单播报⽂，交换设备会不停地修改⾃⼰的MAC地址表项，从⽽引起了MAC地址表的抖动。如此下去，最终导致MAC地址表项被破坏。
丁晓生
STP基本概念
基本思想
STP是数据链路层协议。运⾏该协议的设备通过彼此交互信息发现⽹络中的环路，并有选择的对某个端⼝进⾏阻塞，最终将环形⽹络结构修剪成⽆环路的树形⽹络结构，从⽽防⽌报⽂在环形⽹络中不断增⽣和⽆限循环，避免设备由于重复接收相同的报⽂造成处理能⼒下降。
运⾏STP协议的设备采⽤配置消息BPDU(Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元)交互信息，⼀般简称为BPDU。BPDU分为两⼤类：
配置BPDU(Configuration BPDU)：⽤来进⾏⽣成树计算和维护⽣成树拓扑的报⽂。
TCN BPDU(Topology Change Notification BPDU)：当拓扑结构发⽣变化时，下游设备⽤来通知上游设备⽹络拓扑结构发⽣变化的报⽂。
说明：配置BPDU中包含了⾜够的信息保证设备完成⽣成树计算，其中包含重要信息如下：
ph值范围根桥ID：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP⽹络中有且仅有⼀个根。
根路径开销：到根桥的最短路径开销。
指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC地址组成。
指定端⼝ID：由指定端⼝的优先级和端⼝名称组成。
Message Age：配置BPDU在⽹络中传播的⽣存期。
Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最⼤⽣存期。
Hello Time：配置BPDU发送的周期。
Forward Delay：端⼝状态迁移的延时。
⼀个根桥
树形的⽹络结构必须有树根，于是STP引⼊了根桥(Root Bridge)概念。
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。
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转发，传达拓扑变化记录，从⽽保证拓扑的稳定。
两种度量
⽣成树的⽣成计算有两⼤基本度量依据：ID和路径开销。
IDID⼜分为：BID(Bridge ID)和PID(Port ID)。BID：桥IDIEEE 802.1D标准中规定BID是由16位的桥优先级(Bridge Priority)与桥MAC地址构成。BID桥优先级占据⾼16位，其余的低48位是MAC地址。在STP⽹络中，桥ID最⼩的设备会被选举为根桥。PID：端⼝IDPID由两部分构成的，⾼4位是端⼝优先级，低12位是端⼝号。PID只在某些情况下对选择指定端⼝有作⽤。 说明：端⼝优先级可以影响端⼝在指定⽣成树实例上的⾓⾊，详细介绍请见STP拓扑计算。
路径开销路径开销(Path Cost)是⼀个端⼝量，是STP协议⽤于选择链路的参考值。STP协议通过计算路径开销，选择较为“强壮”的链路，阻塞多余的链路，将⽹络修剪成⽆环路的树形⽹络结构。在⼀个STP⽹络中，某端⼝到根桥累计的路径开销就是所经过的各个桥上的各端⼝的路径开销累加⽽成，这个值叫做根路径开销(Root Path Cost)。 说明：对于聚合链路，链路速率是聚合组中所有状态为Up的成员⼝的速率之和。
三要素选举
从环形⽹络拓扑结构到树形结构，总体来说有三个要素：根桥、根端⼝和指定端⼝。以下结合图1介绍三要素。
图1 STP⽹络结构
根桥RB(Root Bridge)根桥就是⽹桥ID最⼩的桥，通过交互配置BPDU协议报⽂选出最⼩的BID。
长白落叶松根端⼝RP(Root Port)所谓根端⼝就是去往根桥路径开销最⼩的端⼝，根端⼝负责向根桥⽅向转发数据，这个端⼝的选择标准是依据根路径开销判定。在⼀台设备上所有使能STP的端⼝中，根路径开销最⼩者，就是根端⼝。很显然，在⼀个运⾏STP协议的设备上根端⼝有且只有⼀个，根桥上没有根端⼝。
指定端⼝DP(Designated Port)指定桥与指定端⼝的描述见表1。
表1 指定桥与指定端⼝的含义
如图2所⽰，AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2分别表⽰设备S1、S2、S3的端⼝。S1通过端⼝AP1向S2转发配置消息，则S2的指定桥就是S1，指定端⼝就是S1的端⼝AP1。与局域⽹LAN相连的有两台设备：S2和S3，如果S2负责向LAN转发配置消息，则LAN的指定桥就是S2，指定端⼝就是S2的BP2。
图2 指定桥与指定端⼝⽰意图
⼀旦根桥、根端⼝、指定端⼝选举成功，则整个树形拓扑建⽴完毕。在拓扑稳定后，只有根端⼝和指
定端⼝转发流量，其他的⾮根⾮指定端⼝都处于阻塞(Blocking)状态，它们只接收STP协议报⽂⽽不转发⽤户流量。
八三版射雕四个⽐较原则
STP选举有四个⽐较原则，构成消息优先级向量：{ 根桥ID，累计根路径开销，发送设备BID，发送端⼝PID }。
配置BPDU中携带本端⼝的主要信息如表2所⽰。
STP⽹络中的其他设备收到配置BPDU消息后，将⽐较表2中所述的字段，四个基本⽐较原则如下：
说明：在STP计算过程中，都遵循数值越⼩越好的原则。
最⼩BID：⽤来选举根桥。运⾏STP协议的设备之间根据表2所⽰根桥ID字段选择最⼩的BID。
最⼩累计根路径开销：⽤来在⾮根桥上选择根端⼝。在根桥上，每个端⼝到根桥的根路径开销都是0。
海风移动
最⼩发送者BID：当⼀台运⾏STP协议的设备要在两个以上根路径开销相等的端⼝之中选择根端⼝时，通过STP协议计算，将选择接收
到的配置消息中发送者BID较⼩的那个端⼝。如图1所⽰，假设S2的BID⼩于S3的BID，如果S4的A、B两个端⼝接收到的BPDU⾥⾯的根路径开销相等，那么端⼝B将成为根端⼝。
最⼩PID：⽤于在根路径开销相同的情况下，不阻塞最⼩PID的端⼝，⽽是阻塞PID值较⼤的端⼝。如图3所⽰的情况下PID才起作⽤，S1的端⼝A的PID⼩于端⼝B的PID，由于两个端⼝上收到的BPDU中，根路径开销、发送交换设备BID都相同，所以消除环路的依据就只有PID。图3 应⽤到PID进⾏⽐较的拓扑
五种端⼝状态
运⾏STP协议的设备上端⼝状态如表3所⽰。
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