STP生成樹協議
問題
為了提高網絡的可用性，需要進行冗余和備份。但是冗余路徑會產生環路
環路會導致以下問題
廣播風暴：由於交換機會對廣播、多播、和未知目標MAC的單播包進行泛洪，在存在環路的情況下，很短的時間內就會產生風暴
多幀拷貝、MAC地址表不穩定：當交換機剛剛啟動時，MAC地址表是空的，所以，所有的單播幀都會進行泛洪操作。但是如果存在環路的話，交換機在特定情況下，會從不同的接口收到相同的MAC地址，這樣的話，MAC地址表將不穩定
STP（spanning tree protocal，IEEE802.1D）就是通過軟件防止環路的產生，通過邏輯的禁用接口，使得環路在邏輯上不存在；當線路出現故障時，將禁用的接口啟用，使得網絡能夠發揮物理冗余路徑帶來的高可用性
STP協議的工作原理
STP協議的原則如下：
- 每個廣播域中只有一個根網橋，根網橋的接口都是指定接口
- 每一個非根網橋上都有一個根接口，根接口就是到達根網橋最近（帶寬最高，開銷最小）的接口
- 每個網段中只有一個指定接口（發送方的橋ID較小的，或者端口優先級較小，或者端口ID較小的）
- 非指定接口不使用
假如上圖的Switch X是根網橋，那么它的兩個接口都是指定接口；Switch Y是非根網橋，由於100BASE的帶寬更高，所以Switch Y上面的接口是根接口；上下兩個segement中，s1和s2都已經有指定接口了，所以Switch Y下面的接口既不是根接口，也不是指定接口，那么將其阻斷。
上述的過程是交換機通過STP協議和交換BPDU（Bridge Protocol Data Unit）橋接協議數據單元，自動協商得到的。BPDU每2秒鍾發送一次。
BPDU的數據結構
Root ID（8Bytes）：根網橋ID，每個交換機通過橋ID進行標識，橋ID由橋優先級+MAC地址組成（64個字節）。橋優先級的默認值為32768，最大值為65535。橋ID最小的為根網橋
Cost of path（4Bytes）：接口的Cost值，端口速率對應的開銷值如下：
Bridge ID（8Bytes）：本網橋（交換機）的橋ID
Port ID（2Bytes）：端口編號
Hellotime（2Bytes）：BPDU間隔發送時間，默認為2秒
Max age：詳見下面
Forward delay：詳見下面
上述四個字段，在交換機交換BPDU的過程中就能夠協商出結果。
在STP協議故障轉移過程中，交換機接口狀態有如下四個狀態
當某個指定接口出現故障時，需要將原先的非指定接口轉為指定接口。如何檢測故障呢？
一種情況是，直接端口故障，交換機能夠立即得知這樣的故障，則將Blocking的非指定接口立即切換到Listening狀態
另一種情況是，線路故障，交換機無法直接檢測到，此時通過BPDU檢測。正常情況下兩台交換機之間會每兩秒鍾收到對方的BPDU，如果在Max age時間后，仍然無法收到BPDU的話，需要進行重選舉，將原先Blocking的非指定接口，切換到Listening狀態。
Listening狀態持續Forward Delay時間，這段時間后，選舉完成。之后進入Learning狀態，交換機在該端口上進行學習MAC地址，但是不轉發數據，以防止對未知單播幀的廣播，這個時間持續Forward Delay時間；最后進入正常的Forwarding狀態
一般情況下根據超時時間的設置，最長有可能需要經過30-50秒，STP協議才能重新選舉完成
總結：
- Blocking：非指定接口的狀態，即不轉發數據也不學習MAC地址
- Forwarding：指定接口或根接口，轉發數據和學習MAC地址
- Listening：進入重選舉的狀態
- Learning：重選舉完成后，進入MAC地址學習，但不轉發數據
下面是一個例子
- SWR的網橋優先級最小，所以SWR為根網橋，其接口為指定接口
- SWA、SWD的上面的兩個接口到SWR的開銷最小（都是19），所以都是根接口；同理，可以得到SWB和SWC的根接口
- SWA和SWD下面的端口都是其各自segement的指定接口（每個segment有且只有一個指定接口）
- SWB和SWC組成的segement還沒有指定接口，此時由於SWB的橋優先級較小，所以SWB側的接口為指定接口，而SWC側的接口即為非指定接口，進入Blocking狀態
PortFast
如果終端設備直接連接在交換機上，也需要等待30秒的話，會出現問題，比如DHCP超時。所以，可以配置交換機的接口為PortFast模式，PortFast的接口不會介入STP選舉的過程，不需要等待30秒的選舉過程。但是不能用在Trunck接口上，因為如果用在Trunck接口上啟用PortFast，交換機之間無法進行STP選舉，極易產生環路。所以PortFast一般只用在直連終端的“接入接口”。