0基础学RS（十七 ）STP生成树协议概述和选举过程
概述
STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议，主要作用是防止冗余链路中2层网络环路。
以太网LAN（局域网）要求拓扑是无环路的，以太网LAN中的环路可以让以太网帧持续不断的传播，直至一条链路中断，环路才会断开。
冗余交换机链路
冗余链路是提供一个备份链路来保持网络的稳定性，如果主链路出问题了就可以使用备用链路来传输数据，冗余链路可以很好的解决单点故障。
第2层环路
第二层以太网协议没有可以用来识别和消除帧无限循环的机制，使用如果第2层出现了环路，其数据帧将在里面无限循环。
在第三层（网络层）中的IPv4和IPv6协议都提供了一种消除数据包无限循环的机制。
IPv4协议中使用TTL（Time To Live）生存时间来防止环路，数据包每经过一个路由器，其TTL值就会减1，直到TTL减为0后将其数据包丢弃。
IPv6协议中使用跳数限制（hop limit）字段值来防止环路，数据包每经过一个路由器称为一跳，其hop limit值就会减1，直到hop limit减为0后将其数据包丢弃。
广播风暴
广播风暴是指在一段时间范围内出现大量的广播淹没网络，广播风暴可以在几秒钟的时间内淹没交换机和终端设备。
第二层广播（如ARP请求）在网络中非常常见，如果二层链路产生环路，其ARP请求将迅速淹没整个网络。
STP（生成树协议）
STP采用生成树算法 (STA) 可以选择出一个根桥，让其他交换机判断出一条最小开销的路径，从而创建出无环的拓扑。
STP使用（STA）构建无环拓扑的步骤：
- 选举根桥
- 选举根端口
- 选举指定端口
- 选举替代（阻塞）端口
交换机会使用网桥协议数据单元（BPDU）来分享与自己和自身连接相关的信息。BPDU用来选举根桥，根端口，指定端口，阻塞端口。
1.选举根桥（RB）
根桥通过选举来确定的，当交换机启动时，它会每两秒发送一次BPDU帧，这些帧包含了发送方交换机的BID和根桥的BID。
选举根桥的方式是：
- 查看BID的优先级，优先级最低的成为根桥
- 如果优先级一样，比较交换机的MAC地址，拥有最低MAC地址值的交换机会成为根桥
如图所示：S1,S2,S3交换机的优先级都是一样的，查看他们的MAC地址，S1的MAC地址最小，所以S1为根桥
网桥优先级值介于0-65535之间，默认值为32768，网桥优先级是可以更改的，其增值为4096（例如：0，4096，8192,12288…）
交换机显示的优先级是：网桥优先级+VLAN编号（这里是默认网桥优先级32768+VLAN1=32769）
2.选举根端口（R）
确定根桥后，STA算法会选择根端口。每个非根交换机都会选择一个根端口。
根端口选举方式：
- 通过计算非根交换机到根桥的链路开销，开销低的为根端口
- 如果开销一样则比较对端交换机对端桥ID（BID）BID小的为根端口
- 如果对端BID一样则比较对端交换机PID，PID小的为根端口（PID是端口优先级和端口ID组成，端口优先级默认为128，由于端口优先级默认都一样，所有可以认为PID是端口ID）
例如：F0/3的PID为128.3 - 如果对端PID一样则比较本端交换机PID，PID小的为根端口
PID如下图所示
IEEE标准路径开销
如图所示：S1为根桥
S1到S2的F0/1接口的开销为19
S1到S2的G0/1接口开销为8
所以S2的G0/1为根端口
S1到S3的G0/1接口开销为23
S1到S3的G0/2接口开销为4
所以S3的G0/2为根端口
如图所示：
新增一个交换机其MAC地址值最低，所以S4成为了根桥
S4到S1F0/1和F0/2的开销都是38，接下来查看S1的接口ID，F0/1的接口ID小，所以S1的F0/1接口为根端口。
3.选举指定端口（D）
指定端口的选举：
- 每条链路上根路径开销（到根桥的链路开销）小的端口为指定端口（根桥到根桥开销为0，所以根桥上的端口都是指定端口）
- 如果根路径开销一样比较连接两台交换机的BID，BID小的端口为指定端口
- 如果BID一样则对比端口PID，PID小的为指定端口
如图所示：
根桥交换机S4的端口都是根端口
S2的F0/1到S4的开销为19，S1的F0/3到S4的开销为38，所以S2的F0/1为指定端口
S3的F0/1到S4的开销为19，S1的F0/3到S4的开销为38，所以S3的F0/1为指定端口
S1的F0/2为非指定端口（阻塞端口）
4.选举非指定端口（A）
不是根端口，也不是指定端口的端口就是非指定端口。
分析选举过程
一、选举根桥
优先级都一样，比较MAC地址，S2的MAC地址值最小，所以S2为根桥
二、选举根端口
1）S1的F0/2和F0/4到根桥的开销都为19，比较对端桥ID（BID）也一样，比较对端PID，S1的F0/2对应的PID小，所以F0/2为S1的根端口
2）S3的F0/2到根桥的开销19最低，所以F0/2为S3的根端口
3）S4的F0/1和F0/2到根桥的开销都为38，比较对端BID，对端优先级都为32769，比较对端MAC地址值，S1的BID小，所以F0/1为S4的根端口
三、选举指定端口
1）根桥（S2）的所有端口都为指定端口（S2的F0/1，F0/2，F0/3为指定端口）
2）S1的F0/1到根桥开销为19，S4的F0/1到根桥开销为38，所以F0/1为S1的指定端口
3）S3的F0/1到根桥开销为19，S4的F0/2到根桥开销为38，所以F0/1为S3的指定端口
4） S1的F0/3，F0/5和S3的F0/3，F0/4到根桥开销都为19，比较两交换机的BID，S1和S3优先级都为32769，比较其MAC地址值，S1的BID小，所以F0/3和F0/5为S1的指定端口
四、选举非指定端口（阻塞端口）
不是根端口，也不是指定端口的端口为非指定端口，
所以S1的F0/4、S3的F0/3和F0/4、S4的F0/2为非指定端口
STP计时器和端口状态
STP收敛的3的计时器：
- Hello计时器：hello时间是BPDU的间隔时间。默认为2秒，可以修改1-10之间的值
- 转发延迟计时器：转发延迟是在侦听和学习状态中消耗的时间。默认为15秒，可以修改4-30之间的值
- 最大老化时间计时器：最大老化时间是交换机在尝试修改STP拓扑之前，等待的最大时间长度（消息时间到达最大老化时间，交换机会认为自己已经与根桥断开连接，使之前的配置过期，并发起新的一轮选举）。默认为20秒，可以修改6-40秒之间的值
因此链路如果出现故障，STP重新选举到接口转发状态默认情况下至少需要50秒
端口状态
阻塞状态
- 该端口为替代端口，不参与帧转发
- 该端口接收BPDU帧以确定根桥交换机的位置和根ID，以及最终的STP拓扑中每个交换机的端口角色
侦听状态
- 侦听到根网桥的路径
- STP根据交换机收到的BPDU帧，确定该端口可参与转发
- 交换机端口接收BPDU帧，发送自己的BPDU帧，并通知相邻交换机该交换机端口准备参与活动拓扑
学习状态
- 学习MAC地址
- 该端口参与帧转发，并开始填充MAC地址表
转发状态
- 该端口是活动拓扑的一部分
- 该端口转发数据帧并且发送和接收BPDU帧
禁用状态
- 第二层端口不参与生成树，不会转发帧
- 当端口被管理性的关闭时，端口接入禁用状态
端口状态总结
