STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写。该协议可应用于在网络中建立树形拓扑，消除网络中的二层环路，并且可以通过一定的方法实现路径冗余（不是一定可以实现路径冗余），实现冗余备份；同时避免因环路的存在而造成广播风暴的问题。
明白了STP大致是干什么的之后，现在来了解一下他的过程：
运行STP协议的交换机的端口总共有四种状态：
⑴阻塞BLK（20s）
⑵监听LIS（15s）
⑶学习LRN（15s）
⑷转发FWD
交换机通电后，该网络内的交换机即为阻塞状态，此阶段各交换机向外发送自己的BPDU（网桥协议数据单元Bridge Protocol Data Unit），并接收所收到的BPDU。通过分析BPDU数据来选举根桥交换机。
根桥交换机的选举原则：BID（bridge id）
BID中包含网桥优先级和桥MAC
选举时首先比较bridge priority（桥优先级），bridge priority 越小越优，默认为32768，优先级必须为4096的倍数。
如上图所示，优先级的数值为32768+vlan名（如：vlan 1，优先级即为32768+1）。
若设备的优先级相同，则比较桥MAC地址。桥MAC地址同桥优先级一样，越小越优。
根桥交换机选举完成后，各端口即进入监听状态。此阶段与阻塞状态的过程有些类似，但目的不同。此阶段各交换机的各个端口向外发送自己的BPDU，同时接收其他交换机的BPDU。通过分析BPDU的数据来选举根端口RP和指定端口DP。
- 选举根端口(RP)
在每个非根桥交换机上选举一个根端口。
选举规则为：
⑴到根网桥最低的路径开销
⑵发送BPDU的网桥ID较小
⑶端口ID较小的
路径开销cost值如下图所示：
端口ID由端口优先级与端口编号组成。默认的端口优先级为128。端口优先级根据对端交换机的端口优先级计算，越小越优。
当端口优先级相同时，则比较端口号（port-number），端口号越小越优，同样与对端交换机的端口进行比较。
- 选举指定端口(DR)
每个网段上选举一个指定端口。
选择顺序为：
⑴根路径成本较低
⑵发送BPDU的交换机的网桥ID值较小
⑶本端口的ID值较小。
另外，根网桥的接口皆为指定端口，因为根网桥上端口的根路径成本为0。
小结：生成树协议运行生成树算法(STA)。生成树算法很复杂，但是其过程可以归纳为以下3步：
（1）选举根网桥
（2）选举根端口
（3）选举指定端口
通过实验进行验证，实验拓扑图如下所示：
基本配置：
SW-1
SW-1(config)#vlan 10
SW-1(config-vlan)#vlan 20
SW-1(config-vlan)#exit
SW-1(config)#interface range g0/0-1
SW-1(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW-1(config-if-range)#switchport mode trunk
SW-1(config-if-range)#exit
SW-1(config)#spanning-tree vlan 10 priority 4096
SW-1(config)#spanning-tree vlan 20 priority 0
//修改模式为pvst
SW-1(config)#spanning-tree mode pvst
SW-2
SW-2(config)#vlan 10
SW-2(config-vlan)#vlan 20
SW-2(config-vlan)#exit
SW-2(config)#interface range g0/0-1
SW-2(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW-2(config-if-range)#switchport mode trunk
SW-2(config-if-range)#exit
SW-2(config)#spanning-tree vlan 10 priority 0
SW-2(config)#spanning-tree vlan 20 priority 4096
//修改模式为pvst
SW-2(config)#spanning-tree mode pvst
SW-3
SW-3(config)#vlan 10
SW-3(config-vlan)#vlan 20
SW-3(config-vlan)#exit
SW-3(config)#interface range g0/0-1
SW-3(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW-3(config-if-range)#switchport mode trunk
SW-3(config-if-range)#exit
SW-3(config)#interface g0/2
SW-3(config-if)#switchport mode access
SW-3(config-if)#switchport access vlan 10
SW-3(config-if)#exit
SW-3(config)#interface g0/3
SW-3(config-if)#switchport mode access
SW-3(config-if)#switchport access vlan 20
SW-3(config-if)#exit
//修改模式为pvst
SW-3(config)#spanning-tree mode pvst
验证思路：基本配置完成后，以vlan 10为例，我们先关闭SW-3上对应vlan 10的interface G0/2端口，然后再打开。由前面的理论我们知道，STP的收敛速度是很慢的。因此我们可以在no shutdown G0/2接口后不断的输入show spanning-tree命令来查看接口的状态信息，以此来摸清运行 STP协议 的网络的状态变化过程。
先关闭，后打开G0/0接口后的状态变化过程(白色部分为时间)：
- 阻塞→监听
- 监听→学习（15s）
- 学习→转发（15s）
通过观察上面几个过程及计算时间，我们不难得知，监听→学习需15s， 学习→转发需15s。
协议缺点：
1、拓扑收敛慢，当网络拓扑发生改变的时候，生成树协议需要50-52秒的时间才能完成拓扑收敛。
2、不能提供负载均衡的功能。当网络中出现环路的时候，生成树协议简单的将环路进行Block，这样该链路就不能进行数据包的转发，浪费网络资源。
STP高级特性
通过上面的实验，我们可得知STP的收敛速度是很慢的，需50s才能收敛完成。这种情况是一些实时以及对带宽敏感的网络应用是不能接受的。针对这一情况，Cisco公司提出了三种新的端口特性来予以解决。
1.portfast：连接终端设备的端口（边缘端口edge），当RP失效，马上启动阻断端口保持通信。这样收敛时间很快，不用重新进行STP运算，可从监听状态直接变为转发状态，从而节约30s的时间。
2.uplinkfast：针对直连链路的故障解决。当直连链路发生故障时，设备要重新选举端口。此时开启了uplinkfast特性的接口可直接从监听状态变为转发状态，从而节省30s的收敛时间。
3.backbonefast：若使用此端口特性，则需要在该网络的每一台交换机上开启。通过backbonefast的特性，让其他和根桥断掉的交换机主动发送查询消息，查询是否还有到达根桥的备份路径。 若没有备份路径，则该端口称为新的根端口。若有，则该端口变为指定端口。
BackboneFast是对UplinkFast的一种补充：UplinkFast能够检测直连链路的失效，BackboneFast是用来检测间接链路的失效。当启用了BackboneFast的交换机检测到间接链路失效之后，会马上使阻塞的端口进入监听状态，少了20S的老化时间。
实验验证：
同样是上文的拓扑和配置，我们只需多输入几条命令即可实现。
portfast：SW-3
SW-3(config)#interface g0/2
SW-3(config-if)#spanning-tree portfast edge default
//输入上面一条命令时，会弹出警告
%Warning: portfast should only be enabled on ports connected to a single
host. Connecting hubs, concentrators, switches, bridges, etc... to this
interface when portfast is enabled, can cause temporary bridging loops.
Use with CAUTION
%Portfast has been configured on GigabitEthernet0/2 but will only
have effect when the interface is in a non-trunking mode.
//现在将端口关闭再打开，查看状态变化
SW-3(config-if)#shutdown
SW-3(config-if)#no shutdown 
我们可以看到，该端口直接变为了转发状态，节省了监听和学习共30s的时间。
当然我们也可以在全局模式下开启portfast特性（使用需谨慎）：
uplinkfast：SW-3（非根桥上开启）
SW-3(config)#spanning-tree uplinkfast
SW-3(config)#interface g0/0
SW-3(config-if)#shutdown
SW-3(config-if)#no shutdown
关闭接口后会直接弹出这条提示，查看spanning-tree：
可以看出，端口关闭后新的根端口立刻选举了出来并变为转发状态，节省了从监听到转发状态所需的30s时间。
backbonefast：假定某一端口出现故障
SW-1
SW-1(config)#spanning-tree backbonefast
SW-2
SW-2(config)#spanning-tree backbonefast
SW-2(config)#interface g0/0
SW-2(config-if)#shutdown
SW-3
SW-3(config)#spanning-tree backbonefast
SW-2的G0/0口出现故障后，SW -3上可看见如下提示：
可发现SW-3上直接变为监听状态，省去了BPDU老化的20s时间。
补充：root guard根防护功能
Root Guard：防止新加入的交换机(有更低根网桥ID)影响一个已经稳定了（已经存在根网桥）的交换网络,阻止未经授权的交换机成为根网桥。
工作原理：当一个端口启动了此特性，当它收到了一个比根网桥优先值更优的BPDU包，则它会立即阻塞该端口，使之不能形成环路等情况。这个端口特性是动态的，当没有收到更优的包时，则此端口又会自动变成转发状态。当收到更优的包时，该端口将变为根不连续的阻塞状态。
配置根防护的命令
//接口下配置
SW(config-if)#spanning-tree guard root
当收到更优数据包时，查看对应vlan的信息，可发现该端口的状态变为根不连续的阻塞状态。
相关查看配置的命令
SW#show spanning-tree inconsistentportsroot guard作用位置：
1.交换机上未使用的端口
2.接入的端口
BPDU guard
前面提到了portfast特性是适用与连接终端设备的端口特性。但是不能排除配置时人为造成的错误配置。若两台交换机之间的链路开启了portfast特性，这两个端口将跳过侦听和学习阶段，不参与STP的计算而直接进入转发状态，从而造成存在环路的风险。为了避免出现这种情况，我们引入了BPDU guard的概念：BPDUGuard使具备PortFast特性的端口在接收到BPDU时进入err-disable状态来避免桥接环路，其可在全局或接口下进行配置（默认关闭）。
为消除因portfast造成的环路，主要有两种方法：
1.开启BPDU guard特性
2.将问题接口的portfast特性移除
现在我们做个实验来做一些验证。
//全局下开启portfast特性
SW-2(config)#spanning-tree portfast edge default
现在SW-2的状态如下所示
现在我们在SW-2上开启BUDP guard特性
//全局下开启BUDP guard
SW-2(config)#spanning-tree portfast edge bpduguard default
//接口下开启BUDP guard
SW-2(config-if)#spanning-tree bpduguard enable
//开启因触发BPDU guard惩罚而关闭的端口自动恢复
SW-2(config)#errdisable recovery cause bpduguard
//修改自动恢复的时间
SW-2(config)#errdisable recovery interval 30现在我们打开SW-1的e0/0端口，SW-2会弹出如下日志：
查看SW-2的所有端口状态可发现，e0/0端口确实已经关闭：
当SW-2的e0/0端口接收到BPDU报文时，端口将关闭；未接收到BPDU 报文时，端口将自动恢复。默认恢复时间为300s。
此外，另一种解决办法：移除问题端口的portfast特性
//全局下开启针对portfast特性的bpdufilter
SW-2(config)#spanning-tree portfast edge bpdufilter default
//接口下开启bpdufilter
SW-2(config)#spanning-tree bpdufilter enable全局下开启时，当某个交换机的edge端口收到了BPDU，将端口的portfast特性移除，使其回归到原始的生成树状态，参与STP的计算。
接口下开启bpdufilter后，该端口将不再发送BPDU报文，也不会再接收BPDU报文。
重复上文实验，查看端口状态可以验证此特性。