冗余鏈路出現的背景
由於公司對網絡的可靠性的要求，大部分公司都會增加額外的交換機，防止在某台交換機出現故障時造成網絡的無法使用的情況，例如形成如下圖的拓撲的結構。
假設 W 和 X 交換中的一台出現故障后，流量依然可以通過 Y 和 Z 到達 B。
雖然說這樣的結構可以很好的解決，網絡可靠性的問題。但由於這三台交換機構成了一個環路，同時也帶了一些額外的問題：
廣播風暴:
這里假設 W 不知道 B 的 MAC 地址，會采用泛洪的操作。而此時由於環狀的結構，廣播數據包會在四台交換機之間來回的傳輸，占用大量的帶寬。
多幀拷貝：
假設 W 不知道 B 的 MAC 地址，此時會泛洪發給 Y 和 X，假設 Y 和 X 知道 B 的 MAC 地址，此時會將數據包以單播的形式發給 Z，而 Z 會將兩個單播數據包傳給 B. 造成傳輸冗余的數據幀。
MAC 表不穩定：
同樣假設 W 不知道 B 的 MAC，采用泛洪。同時 X，Y，Z 也不知道 B 的 MAC。此時 W 廣播后，X 和 Y 會在 MAC 表中記錄 A 對應 MAC 在 1 號口，然后繼續泛洪給 Z. Z 按照時間順序假設在 MAC 表中記錄的是來自 Y 的數據幀，此時記錄的是 2 號口。而由於 Z 也不知道 B 的 MAC，還會廣播。此時 Y 和 X 也會收到，此時 MAC 表按照時間順序，又會改為另一個 2 號口，進而在 1 和 2 口之間來回抖動。
解決環路帶來的問題
冷備份
在連接線纜時，僅僅連接一條線路。當這條鏈路出現問題時，由管理員手動切換至另一根線路。
熱備份
線纜正常連接，在接口上進行配置，不允許該接口接受和發送任何設備。通過 STP （Spanning Tree Protocol 生成樹）實現。
STP
STP 協議會先進行計算選擇一個樹根，然后將樹根上的一個接口進行阻塞，進而無法構成環路。
STP 選舉規則 - 802.1D
在所有設備啟動時，所有交換機都認為自己是根，然后廣播發送 BPDU（Bridge Protocol Data Unit），然后在 BPDU 中的某些參數選擇一個真正的樹根。
- 在整個拓撲上，選擇一台根交換機。
- 對每台非根交換機上，選擇一個根端口（RP）。其實就是在非根交換機上離根交換機最近的端口，如果距離一樣，則依次比較 BPDU 內的參數。
- 在每條網線上（每個網絡），選一個指定端口(DP)。同樣在鏈路上先找到根交換機最近的端口，如果一樣，則依次比較 BPDU.
- 余下端口為 BP，被阻塞的端口。
BPDU 比較參數，按照如下的順序進行比較:
- 根橋 ID（優先級 0 - 61440，默認值為 32768，配置為 4096 的倍數，根的 MC 地址）先比較優先級，再比較 MAC（交換機的背板 MAC 地址）
- COST（發送者橋 ID 到根橋的距離）
- 發送者橋 ID（優先級，橋 MAC 地址）
- 發送者端口 ID（優先級 0 -240，默認 128，配置為 16 的倍數，接口號）先比優先級，選小的，再比接口號。
例子 1
以下拓撲為例，模擬下選擇 BPDU 的過程，假設 MAC 地址大小為：SW1 < SW2 < SW3.
首先判斷根橋 ID，如果沒有配置過，默認都是一樣的。接着會比較 MAC 地址，選出最小的 MAC 作為根橋, 也就是 SW1.
在選出根后，根會每 2s 發送一次 BPDU，然后非根交換機轉發 BPDU。
比較 COST，SW1 作為根會向 SW2 和 SW3 轉發 BPDU，而 SW2 和 SW3 同時也會轉發收到的 BPDU 給對方。這里假設都是百兆鏈路。
這里以 SW2 為視角，會收到 SW1 發送的 BPDU 和 SW3 轉發 SW3 的 BPDU. 對於 SW2 的 1 號接口來說 COST 為 0（發送者為 SW1，根橋 ID 為 SW1），對於 2 號口來說，COST 為 19（發送者 SW3，根橋 ID 為 SW1）.
100 M -> COST = 19
10 M -> COST = 100
進而 0 小於 19，1 號口為成為 RP.
同理，在 SW3 的視角，收到 SW1 和 SW2 轉發 SW1 的BPDU. 選擇 2 號口為 RP.
下面接着選擇 DP：
先站在 SW1 和 SW2 這條網段的視角，在該網段可以接收到 SW1 直接發送的 BPDU （記為 SW1 1 號口）和 經過 SW2 和 SW3 轉發過來的 BPDU（記為 SW2 1號口）. 這里比較下兩者的 BPDU.
- 首先比較根橋 ID，都是 SW1，一樣，繼續比較。
- 比較 COST，
- SW1 1 號口，根橋 ID 和 發送者 ID 都是 SW1，所以 COST 為 0
- SW2 1 號口，根橋 ID 為 SW1，發送者為 SW3, 經過 SW2. 所以 COST=19 +19=38
- 0 < 19 , SW1 1 號口為成為 DP.
站在 SW1 和 SW3 這段網絡上，同理：
- 首先比較根橋 ID，都是 SW1，一樣，繼續比較。
- 比較 COST:
- SW1 2 號口，根橋 ID 和 發送者 ID 都是 SW1，所以 COST 為 0
- SW3 2 號口，根橋 ID 為 SW1，發送者為 SW2, 經過 SW3. 所以 COST=19 +19=38
- 0 < 19, SW3 2 號口為 DP.
最后站在 SW2 和 SW3 這條網段上：
- 首先比較根橋 ID，都是 SW1，一樣，繼續比較。
- 比較 COST：
- SW2 2 號口，發送者為 SW2 2 號口，根橋 ID 為 SW1 COST = 19
- SW3 1 號口，發送者為 SW3 1 號口，根橋 ID 為 SW1 COST = 19
- 相等繼續比較。
- 比較發送者橋 ID 大小：
- SW2 的 MAC 小於 SW3 的 MAC
- 所以選 SW2 的 2 號口為 DP.
最終，余下接口 SW3 的 1 號口為阻塞接口。
總結一下概念：
RP：到根交換機最近的非根交換機接口
DP：在交換機中的連線上，到達根交換機最近的接口
例子2
首先假設 SW1 MAC 小於 SW2，所以根為 SW1.
選擇 RP：
以 SW2 的視角，比較過程如下：
- 根橋 ID 都是 SW1，一樣，繼續比較.
- 比較 COST，對於 3 和 4 兩個口來說，發送者和根橋ID都一樣，相等。
- 比較發送者 ID，都是 SW1 本身 一樣。
- 比較發送者接口 ID，1 < 2. 所以 3 為 RP。
選擇 DP：
以 1，3 連線的視角：
- 根橋 ID 一致。
- 比較 COST, 選擇 1 號口。COST=0, 另一個為 19. s所以 1 為 DP.
以 2,4 連線的視角：
- 根橋 ID 一致。
- 比較 COST, 同理選擇 2 號口，為 DP.
最后 4 號口為 BLOCK。
這里假設 1,3 口為 10M，2,4 為百兆鏈路。可以發現如果按照上述的規則，4 號口還是一樣會被阻塞。但這不符合常理，因為 2,4 口的帶寬明顯更大。
所以這里的 COST 比較還需要調整，對於選擇 DP 不需要改變。
但對於選擇 RP 的過程，COST 的值需要加上入接口的 COST。
也就是說，在 1,3 連線時。COST 的比較值為：1 號口的 COST 為 0 + 100. 2 號口的 COST 為 0 +19. 所以選擇為 4 號口。
STP 狀態
- Disabled: 禁用狀態，STP 協議未開啟，或端口未打開。
- Blocking: 阻塞狀態，不能轉發數據，但可以收 BPDU.
- Listening: 確定端口角色。
- Learning：學習 MAC 地址，建立 MAC 表。
- Forwarding： 轉發狀態。
在交換機接口打開時，進入到 Listening 狀態，進行 STP 的計算，需要等待 15s 轉發延時。在選舉時，無法轉發數據。
當 Listening 狀態結束后，進入 Learning 狀態，學習 MAC 地址，建立 MAC 地址表，需要等待 15s 轉發延時。
之后進入 Forwarding 狀態，正常轉發數據。
如果是被 STP 阻塞的端口進入 Blocking 狀態，不能轉發數據，但可以接受 BPDU. 當在 20s 內沒有收到 BPDU 時，會進入 Forwarding 狀態，開始轉發數據。
下面看幾個具體的例子：
假設網絡發生改變，SW1 和 SW2 之間的線斷了。此時，SW2 會認為自己是根，因為 SW3 的端口被阻塞，SW2 收不到 SW3 的 BPDU.
此時 SW2 會發送 BPDU 給 SW3，BPDU 內容為（4096， 1， 4096，接口），但 SW3 之前緩存的 BPDU 是（0， 1,4096，接口），發現緩存的 BPDU 更好，所以不會接受 SW2 發來的 BPDU.
直到 20s 過去后，原有的 BPDU 老化，才會接受的新的 BPDU.
接着，SW3 被阻塞的端口被打開，可以發送自己 BPDU 給 SW2，內容為 （0,1,32768，接口），SW2 收到后，發現比自己的好，因為 SW2 的 MAC 地址小。所以認為 SW1 為根，自己的口為 RP.
綜上從開始等待老化的 20s 和重新選擇角色的 30s，恢復網絡總共可能最長需要 50s 的時間。
再假設 SW1 和 SW3 的線斷了。
此時 SW3 的 RP 口失效，所以會重新選擇角色。此時阻塞口一直能收到 SW2 的 BPDU，SW3 發現該 BPDU，比自己發送的 BPDU 好。所以認為 SW1 為 根。
該過程，恢復網絡最多需要 30s.
再看一個實際的場景：
還是 SW1 和 SW3 的線斷了。此時拓撲的恢復可能需要 30s 的時間，但 30s 過后，PC1 和 PC2 還有可能是不通的。
因為之前在未斷線時，PC1 PING PC2 是通過 SW2 的接口 1 發送的，在轉發時，會查 MAC 地址表，而 PC2 的對應接口是接口 1.
當拓撲改變后，雖然經過 30s 重新確定了角色，但對於 SW2 來說，接口1 和 PC2 的 MAC 地址對應關系依然存在。而 MAC 地址的老化時間是 300s.
所以就意味着還需要 300s 的時間，PC2 才能通過接口 2 發送。
但對於一些對網絡連通性的企業來說，如銀行等，這樣的恢復時間太長了。所以就需要通過另外一種機制，解決該問題。
具體來說就是，當拓撲改變時（一個接口由 Blocking 過度到 forwarding 狀態），發生改變的交換機，會從 RP 端口向上游交換機（根交換機方向）發送 TCN BPDU（另一種 BPDU），上游交換機收到后，發送 ACK 確認。
上游交換機繼續向根的方向發送 TCN BPDU，直到根收到。並向下游發送 TC 消息。收到 TC 消息的交換機會將自己的 MAC 地址老化時間改為 15s, 並向下游擴散，直到全網。
STP
查看 STP 信息
如果是思科的交換機話，默認會選擇 PVST+ 作為默認的 STP 協議。
其中優先級是將 VLAN 號和優先級組成（4bit vlan 號，16 bit 優先級）。
# 查看 sw1
sw1#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
# 表示根信息
Root ID Priority 32769 # vlan is 1, so priority equal 32768 add 1
Address aabb.cc00.1000 # mac
This bridge is the root # to represent root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
# 表示自己的信息
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.1000
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0 Desg（指定端口，DP） FWD 100 128.1 P2p
Et0/1 Desg（指定端口，DP） FWD 100 128.2 P2p
Et0/2 Desg FWD 100 128.3 P2p
Et0/3 Desg FWD 100 128.4 P2p
# 查看 sw2
sw2#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.1000
Cost 100
Port 1 (Ethernet0/0)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.2000
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0 Root FWD 100 128.1 P2p
Et0/1 Desg FWD 100 128.2 P2p
Et0/2 Desg FWD 100 128.3 P2p
Et0/3 Desg FWD 100 128.4 P2p
# 查看 sw3
sw3#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.1000
Cost 100
Port 2 (Ethernet0/1)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.3000
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0 Altn（阻塞端口） BLK 100 128.1 P2p
Et0/1 Root FWD 100 128.2 P2p
Et0/2 Desg FWD 100 128.3 P2p
Et0/3 Desg FWD 100 128.4 P2p
# 調整根-讓 SW2 成為根-調整優先級
sw2(config)#spanning-tree vlan 1 root primary
# 調整次根-讓 sw3 成為次根
sw3(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary
總結
當對網絡的可靠性有要求時，一幫會采用連接多台交換機，用於冗余備份，但由於出現環路的風險，需要通過 STP 技術在邏輯上將某些接口阻塞掉，防止形成環路。