由于以太網(wǎng)網(wǎng)橋采用了基于 MAC 地址實現(xiàn)在不同端口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制，每一個端口對應(yīng)的是一個以太網(wǎng)的網(wǎng)段，通過學(xué)習(xí)每個端口的 MAC 地址表的方式，網(wǎng)橋只轉(zhuǎn)發(fā)不同端口間的通信。但由于網(wǎng)橋依賴運行網(wǎng)絡(luò)中存在的MAC 地址和端口的地址對應(yīng)表來進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，若收到目的地址未知的數(shù)據(jù)包，只能利用廣播的形式來尋址，其后果就是在一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中造成大量的流量即“廣播風(fēng)暴”，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。
 　　為了解決基于二層的“廣播風(fēng)暴”問題，IEEE（電機和電子工程師學(xué)會）制定了 802.1D 的生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol），它在防止產(chǎn)生環(huán)路的基礎(chǔ)上提供路徑冗余。生成樹協(xié)議(STP)是通過生成樹算法（STA：Spanning Tree Algorithm）計算出一條到根網(wǎng)橋的無環(huán)路路徑來避免和消除網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，它是通過判斷網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路的地方并阻斷冗余鏈路來實現(xiàn)這個目的。通過這種方式，它確保到每個目的地都只有唯一路徑，不會產(chǎn)生環(huán)路，從而達(dá)到管理冗余鏈路的目的。
 　　為了實現(xiàn)對冗余鏈路的管理，找出存在的冗余鏈路，STA在網(wǎng)絡(luò)中選舉根網(wǎng)橋作為依據(jù)，跟蹤該可用路徑。若發(fā)現(xiàn)存在冗余路徑，它將選擇最佳路徑來進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，并阻斷其它冗余鏈路。
 
　　Spanning Tree的工作原理
 
　　Spanning Tree 的工作方式如同生成一棵的樹，樹的根就稱為“根網(wǎng)橋”，每個設(shè)備會定義一個優(yōu)先級，數(shù)值越小代表它成為根橋的可能性越大。參與STP的所有交換機都通過數(shù)據(jù)消息的交換來獲取網(wǎng)絡(luò)中其它交換機的信息，這些消息被稱為橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）。BPDU主要內(nèi)容包括：根信息 、路徑開銷、端口信息、記時器。
 　　實現(xiàn)管理冗余鏈路，建立無環(huán)路生成樹的首先選舉一個根網(wǎng)橋。根網(wǎng)橋是所有交換機用來決定網(wǎng)絡(luò)中是否存在環(huán)路的依據(jù)。通過網(wǎng)橋ID決定誰將成為根網(wǎng)橋，根網(wǎng)橋ID由兩部分組成：優(yōu)先級域（兩字節(jié)）和MAC地址域（六字節(jié)）。以上兩個部分決定了根網(wǎng)橋的選定結(jié)果。數(shù)值越低，就越有可能成為根網(wǎng)橋。如果交換機發(fā)現(xiàn)一個比它自己更低的根ID，就將根ID在BPDU中進行宣告。通過交換BPDU報文，交換機決定誰是根網(wǎng)橋。
 　　當(dāng)根網(wǎng)橋選舉完后，每臺交換機與根網(wǎng)橋建立關(guān)聯(lián)。交換機首先判斷路徑開銷。路徑開銷是根據(jù)鏈路速率和BPDU從根網(wǎng)橋到達(dá)本端口所經(jīng)過的鏈路數(shù)量而計算出來的。如果一個端口有最低的路徑開銷，它將被置于轉(zhuǎn)發(fā)模式。接收BPDU的所有其它端口將被置于阻斷模式。 若各端口接收到BPDU的路徑開銷相同，交換機將根據(jù)網(wǎng)橋ID以決定哪個端口應(yīng)該進行轉(zhuǎn)發(fā)。有最低網(wǎng)橋ID的端口將被選為轉(zhuǎn)發(fā)端口，所有其它端口將被阻斷。
 　　經(jīng)過BPDU的交換，可實現(xiàn)根網(wǎng)橋交換機的選舉，并計算出每臺交換機到根交換機的最短距離，離根交換機最近的交換機被稱為指定交換機，每臺交換機的根端口被選舉出來。這是一個提供從該交換機到根交換機最佳路徑（通常是最低開銷路徑）的端口，不進行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的端口被置于阻斷狀態(tài)。這些端口可繼續(xù)發(fā)送和接收BPDU信息，但禁止發(fā)送或接收用戶數(shù)據(jù)。
 　　為了建立一個無環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，生成樹使交換機的各個端口經(jīng)歷幾種不同的狀態(tài)：阻斷、傾聽、學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)、關(guān)閉傾聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)都是生成樹所實施的過渡狀態(tài)，指揮交換機端口等待從其它交換機上獲得BPDU報文。端口狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下：
　　當(dāng)生成樹通過了STP狀態(tài)時，采用一系列記時器來防止網(wǎng)絡(luò)中橋接環(huán)路的發(fā)生。
 
　　快速生成樹協(xié)議（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）
 
　　生成樹協(xié)議IEEE 802.1d雖可在50秒內(nèi)恢復(fù)連接，但已不能滿足現(xiàn)代交換式網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的需要，在 802.1w中定義的RSTP協(xié)議可解決802.1d的自恢復(fù)問題?？焖偕蓸鋮f(xié)議（RSTP）是從生成樹算法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過配置消息來傳遞生成樹信息，并通過優(yōu)先級比較來進行計算?？焖偕蓸淠軌蛲瓿缮蓸涞乃泄δ?，優(yōu)異之處在于快速生成樹減小了端口從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)的延時，快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常工作狀態(tài)。它采用橋－橋握手機制，并不采用802.1d中根橋所指定的計時器。  
 　　快速生成樹協(xié)議與生成樹協(xié)議的區(qū)別不少：如端口狀態(tài)遷移方式不同；配置消息的格式不同；拓樸改變消息的傳播方式不同。
 　　RSTP除了對根端口和802.1d中的指定端口進行了定義之外，還增加了兩種新的作用：一是備份端口。指定端口向生成樹提供的路徑備份。二是替代端口。為當(dāng)前根端口所提供的根橋提供了替代路徑。RSTP中新定義的端口作用使替代端口可以進行快速轉(zhuǎn)換，能轉(zhuǎn)發(fā)根端口的故障。
 　　為了防止環(huán)路，RSTP利用網(wǎng)橋之間的握手來確保通過網(wǎng)絡(luò)分配的端口任務(wù)能夠保持一致。由于這種握手機制不依賴于定時器，因此可以迅速地傳送到網(wǎng)絡(luò)各處，隨著拓樸結(jié)構(gòu)的改變而在很短的時間內(nèi)恢復(fù)連接。802.1w僅工作在點到點的連接中，否則802.1w協(xié)議將回到802.1d模式。
 　　新的根端口從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)的實現(xiàn)：原有根端口已經(jīng)知道自己不再是根端口了，進入阻塞狀態(tài)。新的根端口連接的網(wǎng)段的指定端口處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，這個新的根端口就可以無延時地進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
 　　非邊緣指定端口從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)：此個端口連接著其他網(wǎng)橋。等待進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的指定端口向下游網(wǎng)橋發(fā)送一個握手請求報文，若下游的網(wǎng)橋響應(yīng)了，則這個指定端口就可以無延時地進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
 　　邊緣端口從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)：邊緣端口直接和終端設(shè)備相連，不再連接任何網(wǎng)橋的端口。網(wǎng)橋啟動后這些端口即無延時地快速進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
 
　　通過STP實現(xiàn)鏈路冗余管理
 
　　正確理解STP原理和配置，對于維持交換網(wǎng)絡(luò)的正常運行有重要的影響。設(shè)計好生成樹，可以使網(wǎng)絡(luò)保持良好的性能。
 　　通過人工設(shè)定的方法為網(wǎng)絡(luò)指定網(wǎng)橋的優(yōu)先級別，將其置于網(wǎng)絡(luò)的中心位置，保證該網(wǎng)橋能被選舉為根網(wǎng)橋，并配備備份根網(wǎng)橋是實現(xiàn)鏈路優(yōu)化管理的手段之一。為更好地定制生成樹，可通過調(diào)整交換機的端口ID、端口成本、網(wǎng)絡(luò)直徑等方法來實現(xiàn)。
 　　快速生成樹改進的只是生成樹的收斂時間，沒有解決在整個橋接網(wǎng)絡(luò)只應(yīng)用一個單生成樹實例的不足。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時最好使網(wǎng)絡(luò)直徑不超過7。
 
　　在交換上Spanning-tree的設(shè)置：
　　Switch(config)#spanning-tree
　　上面的命令全局啟用spanning-tree功能。
　　Switch (config)#spanning-tree ethernet 2/1 path-cost 30 priority 9
　　上面的命令設(shè)置e2/1端口的路徑消費為30，端口優(yōu)先級為9。
 
　　Spanning-tree也可應(yīng)用于特定的VLAN或者某一個端口上面：
　　Switch (config-vlan-10)#spanning-tree
　　Switch (config-if-2/1)#spanning-tree
　　查看Spanning-tree:
　　Switch #Show span detail
　　Switch (config)#Show span detail
 
　　STD對實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路的優(yōu)化管理，維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，快速修復(fù)交換網(wǎng)絡(luò)故障有重要的影響。對交換網(wǎng)絡(luò)的生成樹設(shè)計，可通過人工設(shè)定參數(shù)的方法來優(yōu)化管理。
 
　　STP/生成樹(Spanning Tree Protocol)

　　冗余帶來網(wǎng)絡(luò)環(huán)路
　　產(chǎn)生的3大問題:
 　　1:Multiple Frame Copies/多幀復(fù)制
 　　2:MAC Database Instability /MAC地址數(shù)據(jù)庫的不穩(wěn)定
     　　　　　　　　　　　　  /端口漂移
 　　3:Broadcast Storms/廣播風(fēng)暴
  
　　解決方案:STP
　　STP是鏈路管理協(xié)議
 　　將特定的端口置于阻塞狀態(tài),來實現(xiàn)既沒有環(huán)路,也可以冗余的網(wǎng)絡(luò).
 
　　STP核心:
 　　Provides a loop-free redundant network topoloty,by placing certain ports in the blocking state.

　　STP信息是通過BPDU來傳輸?shù)?br>　　橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
　　作用：
　　在交換網(wǎng)絡(luò)中由根橋RB(Root Bridge)發(fā)送，用于STP的計算和收斂；發(fā)送周期為2秒；

　　兩種類型：
　　配置DPDU 是所有端口上的根網(wǎng)橋以周期性間隔而發(fā)出的
　　TCN(Topology Change Notification) BPDU 當(dāng)交換機檢測到拓?fù)渥兏鼤r所產(chǎn)生的(TC發(fā)送時間持續(xù)35秒,即delay time+BPDU老化時間)。

　　BPDU完成的任務(wù)：
 　　選舉根橋
 　　確定冗余路徑的位置
 　　阻塞特定端口防止環(huán)路
 　　通告網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兏?br> 　　監(jiān)控生成樹的狀態(tài)

　　協(xié)議ID（0）  表示協(xié)議 802.1d
　　版本號（0）  STP的版本，802.1D的版本是0
　　BPDU類型 BPDU類型(配置BPDU=0,TCN BPDU=80)
　　信息壽命 從根橋發(fā)出BPDU之后的秒數(shù),每經(jīng)過一個網(wǎng)橋都遞減1,本質(zhì)上是到達(dá)網(wǎng)橋的跳計數(shù)標(biāo)記域  包括 拓?fù)渥兓?TC)位,置位了就指明該BPDU是一個拓?fù)渥兓ǜ?nbsp; 或  拓?fù)渥兓_認(rèn)(TCA)位
　　交換機對BPDU的處理:
　　如果交換機從一個接口接收到優(yōu)先級高的BPDU，會把該BPDU保存下來并且該接口不再往外發(fā)送BPDU；
　　在收斂時只有根橋產(chǎn)生BPDU，其余交換機只能從RP接收BPDU后才從DP發(fā)送出去；這樣非根橋可能從DP或者NDP接受到BPDU；
　　如果交換機從DP接收到優(yōu)先級低的BDPU會丟棄，并給源MAC發(fā)送自己較新的BPDU；如果從NDP收到優(yōu)先級低的BPDU會只丟棄了事。
 
　　端口的不同狀態(tài)：
　　堵塞（Block，默認(rèn)20s）：只監(jiān)聽流入的BPDU
　　監(jiān)聽（Listen，默認(rèn)15s）：監(jiān)聽和發(fā)送BPDU（根橋、根端口、指定端口等的選舉在該階段完成，如果接口沒有成為DP則重新回到Block）:
　　學(xué)習(xí)（Learning，默認(rèn)15s）:監(jiān)聽和發(fā)送BPDU,并且會在該接口上學(xué)習(xí)流入幀的MAC地址
　　轉(zhuǎn)發(fā)：監(jiān)聽和發(fā)送BPDU,會在該接口上學(xué)習(xí)流入幀的MAC地址,接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀
　　禁用: 不參與STP,并且不能轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù).
　　STP定時器:
　　Hello time(2s)  用于確定根交換機多長時間向其他的交換機廣播一次配置BPDU.
　　Forward delay(15s) 監(jiān)控每個端口在學(xué)習(xí)和監(jiān)聽狀態(tài)上停留的時間
　　Max Age(20s)  控制端口保存配置BPDU信息的最大時間
　　作用:讓網(wǎng)絡(luò)有足夠的時間來獲得有關(guān)拓?fù)涞恼_信息,并確定是否存在冗余鏈路.STP的默認(rèn)最大壽命計時器為7,表示最大的網(wǎng)絡(luò)直徑可達(dá)7臺設(shè)備.
　　所以BPDU的Forward delay為20秒
　　bpdu廣播2s一次，允許有3個包丟失即6s,當(dāng)假設(shè)最大為7跳的時候，則一共要用20s,所以BPDU的有效時間為20s
　　命令:
　　(config)#spanning-tree vlan 2 hello-time 2 //范圍1-10s
　　spanning-tree vlan 2 forwad-time 4 //范圍4-30s
　　spanning-tree vlan 2 max-age 6
 
　STP執(zhí)行的4步判決順序
 
　　確定根交換機    lowest root BID
　　計算到根交換機的最小路徑開銷 lowest path cost to root bridge
　　確定最小的發(fā)送者BID   lowest sender BID
　　確定最小的端口ID   lowest port ID