STP 生成树
一、STP概述
STP用于防止网络中因存在冗余路径导致的环路问题，STP会选举出一个根桥，并在网络中选择最佳路径，将多余的链路阻塞，形成一个无环的树形结构，通过定期发送BPDU报文，确保网络的稳定性和安全性。
二、BPDU 桥协议数据单元
1、BPDU概述
1.BPDU桥协议数据单元是STP协议中用于交换信息的协议报文，交换机之间通过BPDU报文交换信息，以确定网络拓扑结构和根桥的位置，BPDU主要有两种类型：配置BPDU和拓扑变更通知BPDU。
2.每个交换机端口根据接收到的BPDU信息决定自身的角色，包括根端口、指定端口等。
3.拓扑变更处理：当网络拓扑发生变化时，非根交换机会通过根端口发送TCN BPDU通知根桥，根桥会发送带有TC标志的BPDU，以通知整个网络拓扑结构发生变化。
2、BPDU中各字段
BPDU报文中包含了一系列字段，用以承载生成树协议所需的信息。
1.根ID Root ID：由优先级和MAC地址组成，优先级越小，该桥成为根桥的概率越大，通过比较BPDU中的根ID，STP协议选出网络中桥ID最小的交换机作为根桥。
2…路径开销 Cost of Path：路径开销反映了从一个端口到根桥的总开销，通常与链路的带宽成反比，Cost与端口的带宽有关。带宽越大，Cost越小。
3…Bridge ID 桥ID：桥ID由桥优先级和MAC地址组成的，用于标识发送BPDU的交换机。
4…Port ID 端口ID：端口ID表示发出BPDU的端口，有助于识别网络中特定的端口，Port ID总共16bit。
5.Message Age：Message Age记录了BPDU自发送以来的时间，用于计算BPDU的新鲜度。
6.Max Age：Max Age指定了BPDU在网络中被认为是有效的最长时间或老化时间，默认值通常是20秒，当一个端口在Max Age时间内没有收到任何BPDU报文时，该端口会认为与其相连的网络出现了故障，进而触发生成树的重计算，开始进入侦听和学习状态。
7.Hello Time：Hello Time指定了根桥发送BPDU的时间间隔，用于保持网络拓扑的稳定性，默认值通常是2秒，即在运行STP的网络中，交换机会每隔2秒钟发送一次BPDU。
三、根端口、指定端口、阻塞端口
1、根端口
1.每个非根交换机上通往根桥路径代价最小的端口，这是该交换机通往根桥的最佳路径，
2.选举过程基于到达根桥的总成本Cost，成本最小的端口被选为根端口，如果成本相同，则比较发送方的桥ID和端口ID，选择最小的作为根端口（比较顺序Cost、桥ID、端口ID）。
2、指定端口
1.DP指定端口是STP算法选定的端口，用于在不与根桥直接连接的网段上转发配置消息BPDU，同一网段中只有一个端口会成为指定端口，而其他的端口则会被阻塞，以防止环路的形成。
2.指定端口负责向本地网段上的其他交换机端口传播BPDU，确保整个网段上的交换机都能接收到来自根桥的BPDU。
3.每条链路都会有一个指定端口，根交换机上的端口不一定是指定端口。
4.通过调整端口优先级和桥ID来影响指定端口的选举过程，可以通过降低端口的路径成本或桥ID来增加其成为指定端口的概率。
5.根路径成本（Root Path Cost）：指端口到根桥的距离，即路径成本越低的端口越有可能成为指定端口。
6.发送者的桥ID（Sending Bridge ID）：比较端口所连接的交换机的桥ID，桥ID越小的交换机更有可能成为指定端口。
7.发送端口的端口ID（Sending Port ID）：比较端口所连接的交换机的端口ID，端口ID越小的端口更有可能成为指定端口。
3、阻塞端口
1.不被选为根端口或指定端口的其他端口将被阻塞，阻塞端口不参与数据传输。
2.阻塞端口是为了防止环路的形成，一旦网络拓扑发生变化，STP会重新计算生成树，可能会解除某些阻塞端口的状态，使其能够转发数据。
禁用状态（Disabled）、阻塞状态（Blocking）、侦听状态（Listening）、学习状态（Learning）、转发状态（Forwarding）。
四、根桥选举、备份根桥选举
1、根桥选举
1.交换机通过比较桥ID选举根桥以及其他端口角色，根桥是STP网络的中心，所有的交换机通过BPDU报文进行通信，并最终选举出一个具有最低桥ID的交换机作为根桥，所有交换机初始时都认为自己是根桥，并通过BPDU报文交换信息，最终选出根桥。
2.桥ID由优先级和MAC地址组成，桥ID=桥优先级+MAC，且根桥的选举，只和桥优先级+MAC这两个因素有关，桥优先级的默认值取值是32768，且必须是4096的倍数，取值范围是0-65535。如果优先级相同，则会比较MAC地址，最小的MAC地址将被选为根桥。根桥的优先级越小越优先，不一定为 0，只需要比其他交换设备小即可。若运行STP的交换机上所显示的所有端口均处于转发状态，则该交换机为根桥交换机。
2、备份根桥选举
1.通过配置stp root secondary命令来指定一个交换机作为备份根桥，如果根桥发生故障，备份根桥将会接替根桥角色，继续维持网络的稳定运行。
2.stp root secondary命令会将设备的优先级自动设置为4096，这个值是一个相对较高的优先级，因此备份根桥不会成为普通的STP环境中的根桥，只有在原根桥失效的情况下才会提升为根桥。
五、禁用/阻塞/侦听/学习/转发五种端口状态
1.禁用状态（Disabled）：端口不处理、不转发BPDU报文，也不转发用户流量。
2.阻塞状态（Blocking）：端口仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU或用户流量。
3.侦听状态（Listening）：端口可以接收和发送BPDU，但不转发用户流量。
4.学习状态（Learning）：端口可以接收和发送BPDU，开始构建MAC地址表，但不转发用户流量，Learning状态下，端口接收数据帧并构建 MAC 地址表，然后进入转发状态Forwarding，Learning状态转变为Forwarding状态时，不经过Forward Delay转发延迟时间，只有替代端口变为根端口才有转发延迟。
5.转发状态（Forwarding）：端口可以接收、处理和发送BPDU，并转发用户流量。
六、Forward Delay 转发延迟时间
1.Forward Delay的存在是为了确保网络在拓扑发生变化时能够稳定，避免因过快的端口状态转变导致的临时环路问题。
2.Forward Delay转发延迟时间决定了端口从Blocking阻塞状态转移到Forwarding转发状态所需的时间，只有从替代端口变为根端口才有转发延迟。
3.当端口从Blocking阻塞状态转变为Forwarding转发状态时，总共经历30秒，首先是进入监听Listening状态，这是端口开始接收并发送BPDU报文，但不转发用户流量的阶段，这个过程持续15秒；随后是学习Learning状态，端口在这一状态下学习MAC地址，但仍然不转发用户流量，这个过程持续15秒；最后是转发Forwarding状态，端口开始转发用户流量并继续学习MAC地址。