一、环路的产生
- 网络中通过多交换机、多条链路来提高链路的冗余性，避免单点故障导致业务中断，虽然能够提升网络可靠性，但同时也会带来环路问题。
二、环路引发得问题
- 广播风暴：
当交换机收到一个从主机发过来的单播帧（或者广播帧）时，假如交换机没有该目的主机的MAC地址表项，此时交换机会在除了接收端口以外的端口泛洪出去，而其他交换机在接受到也会做同样的操作。这样会导致同样的帧在不停地被转发，形成广播风暴。
- MAC地址表翻转（震荡）
交换机MAC地址更新是基于报文的接收端口的，像上面所述，交换机之间形环之后，最终报文还是会转发回到第一个接收的交换机（从主机接收报文的交换机），那么这时交换机会把与主机连接的端口和MAC更新为最近接收到报文的端口和MAC地址，因为环路可能是多向的，所以会导致MAC地址表不停在更新。
三、STP原理
生成树协议STP（Spanning Tree Protocol），在提供高可靠性的同时又能避免环路带来的问题。STP通过阻塞端口来消除环路，使用网络链路冗余备份。在形成环路的网络交换机会根据STP的协议具体规定来阻塞某端口，来消除环路， 当在环路上发生故障，会释放阻塞端口实现备份链路传输。
- 根桥选举：每个交换机上都会有 桥ID（Bridge ID），桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成，在选举根桥时交换机会互发BPDU报文，通过比较里面的优先级（0-65535，默认32768），数值小的优选，如果优先级相等，则会比较MAC地址，同样数值小的优选。
STP定义了三种端口角色分别是：根端口、指定端口、备份端口
- 根端口选举：非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID、对端PID和本端PID。选举时会比较根路径开销，如果相同，则会比较对端BID；如果对端BID相同，则比较对端PID，如果还相同，则比较本端PID，小者优先。一般与根交换连接的端口都是根端口。
- 指定端口选举：在选举了根端口之后其他的端口会再次进行比较来选择指定端。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。
- 预备端口：选择完根端口和指定端口，剩下的就是预备端口。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。
STP协议的设备上端口状态有5种：
- Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。
- Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。
- Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。
- Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
- Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。
两类BPDU:
- BPDU：包含桥ID、路径开销、端口ID、计时器等参数，交换机通过STP协议来交换BPDU来选举根桥，并定义端口角色。
在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
- TCN BPDU：指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知
计时器：
- Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期。配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age都加1。
- Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。如果Message Age大于Max Age（Max Age的超时默认值为20秒），非根桥会丢弃该配置BPDU。
- Hello Time：配置BPDU发送的周期。
- Forward Delay：端口状态迁移的延时。
故障分析：
- 根桥故障
STP拓扑中交换机通过周期性的BPDU来监视链路状态，如果下游交换机收不到根桥对的BPDU，那么会在计时器Max age（20秒）超时后，重新选举根桥，也就是SWB和SWC会重新进行选举。
到 forwording状态大概需要50秒（Max Age 20 s+两倍Forward Delay 15s×2 = 50s ）
- 直连链路故障
SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。SWB新的根端口会在30 秒（Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding）后恢复到转发状态。
- 非直连链路故障
非直连链路故障（非物理层故障），SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文，SWC的Alternate端口再也不收到包含原根桥ID的BPDU报文，SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。所以，Max Age定时器超时后，SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒。
- 拓扑改变导致MAC地址表错误
MAC地址表项的默认老化时间是300秒。在这段时间内，SWB无法将数据从G0/0/2端口转发给主机B。
本例中，SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机A，通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒，主机A发往主机B的帧到达SWB后，SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。
- 拓扑改变导致MAC地址表变化（加速老化）
拓扑变化过程中，根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成 TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下： SWC感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCN BPDU报文。
SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SWC，告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
SWB向根桥转发TCN BPDU报文。 SWA把也配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forward Delay的时间（默认为15秒）。
最多等待15秒之后，SWB中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SWB就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。
四、STP常用配置命令
stp mode stp // 生成树的工作模式 stp root primary | stp priority 0 | stp instance 0 root primary // 手配根桥 stp priority 4096 |…… // 改优先级 ，手配备份根桥（其他primary改为secondary） stp edged-port enable // 配置边缘端口 dis stp topology-change // 查看stp震荡状态 display stp brief // 查看接口角色 display stp interface // 命令查看端口的STP状态