一、概念
1.以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。
作用：防止环路。
2.生成树分类
二、STP
1.根桥（root bridge）
对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。
作用：负责通知网络拓扑信息，如拓扑变更，则根桥进行通知每一个在此网络拓扑中的交换机重新进STP根桥的选举。选取规则
桥ID=优先级（默认32768）+背板MAC（第一个端口的MAC）/vlan号。越小越优，先比较优先
级，小的成为根桥；若优先级一样，则比较背板MAC地址，小的成为根桥。
注意：选举开始前，同vlan的所有交换机都发送BPDU，每个交换机收到BPDU后与自己的桥ID比较，直到选出根桥。
2.BPDU报文：网桥数据单元
BPDU在以下3种情况下会产生：
①只要端口使能STP，则BPDU就会按照Hello Time定时器规定的时间间隔从指定端口发出。
②当根端口收到BPDU时，根端口所在的设备会向自己的每一个指定端口复制一份BPDU。
③当指定端口收到比自己差的BPDU时，会立刻向下游设备发送自己的BPDU。
3.端口角色：
①根端口（RP）：在每个非根桥的交换机上选一个根端口，根端口就是去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据。
选取规则（单条链路）：a.开销--越小越优。（带宽--开销：10M--100,100M--19,1G--4,10G--2）
b.一条链路中，对方交换机桥ID越小越优，每个与根桥相连的端口就是根端口
c.端口ID--端口优先级（默认128）+端口号，发送方的端口ID越小越优。
②指定端口（DP）：转发BPDU。
选取规则（单条链路）：
a.开销--越小越优。（带宽--开销：10M--100,100M--19,1G--4,10G--2）
b.一条链路中，对方交换机桥ID越小越优，每个与根桥相连的端口就是根端口
c.端口ID--端口优先级（默认128）+端口号，发送方的端口ID越小越优。
③非指定端口（NDP）：选完根端口和指定端口剩下的就是非指定端口。
注意：1.根桥上没有根端口和非指定端口，一般情况下是指定端口。
2.根桥上所有端口都发送和转发BPDU。
④一旦根桥、根端口、指定端口选举成功，则整个树形拓扑建立完毕。在拓扑稳定后，只有根端口和指定端口转发流量，其他的非根非指定端口都处于阻塞（Blocking）状态，它们只接收STP协议报文而不转发用户流量。
4.五个端口状态
①down--物理关闭状态
②listening--监听状态，宣告自己加入该生成树，监听BPDU，选根桥、根端口和指定端口。不能转发数据流，延时时间15s，15s内没收到BPDU进入下一状态。
③learning--学习状态，构建MAC地址表，监听BPDU，不能转发数据流，延时时间15s，15s内没收到BPDU进入下一状态。
④forwarding--能转发数据流，并不断学习新的MAC地址，监听和发送BPDU。
⑤blocking--只能监听BPDU，20s的阻塞时间（若20s内没有接收到最优的BPDU报文，则进入listening状态。）
5.改变根桥
①手动指定主次根----负载均衡
指定主根：默认优先级-8192（32768-8192=24576）
指定次根：默认优先级-4096（32768-8192=28672）
缺点：若网络中出现优先级更低的交换机，主根会变更。
②修改优先级
设置优先级<0-61440>必须是4096的倍数。
5.STP算法实现的基本过程
①初始状态
由于每个桥都认为自己是根桥，所以在每个端口所发出的BPDU中，根桥字段都是用各自的BID，Root Path Cost字段是累计的到根桥的开销，发送者BID是自己的BID，端口PID是发送该BPDU端口的端口ID。
②选择根桥
网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”，根桥ID为自身的设备ID。通过交换配置消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID最小的设备被选为根桥。
③选择根端口和指定端口
参考上文根端口选举
三、RSTP（rapid-stp）
1.基本概念
快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol），该协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充。
特点：收敛速度非常快，小于1s。
收敛机制：没有时间机制，取消时间和端口的状态关联 。
2.STP的不足
STP协议虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断，这是用户无法忍受的。
STP的不足之处如下：
? 首先，STP没有细致区分端口状态和端口角色，不利于初学者学习及部署。
网络协议的优劣往往取决于协议是否对各种情况加以细致区分。
○ 从用户角度来讲，Listening、Learning和Blocking状态并没有区别，都同样不转发用户流量。
○ 从使用和配置角度来讲，端口之间最本质的区别并不在于端口状态，而是在于端口扮演的角色。
根端口和指定端口可以都处于Listening状态，也可能都处于Forwarding状态。
? 其次，STP算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢。
? 最后，STP的算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出BPDU报文，而其他设备进行处理，传遍整个STP网络。这也是导致拓扑收敛慢的主要原因之一。
3.端口角色
①根端口（RP）：在每个非根桥的交换机上选一个根端口，根端口就是去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据。选取规则（单条链路）：
a.开销--越小越优。（10M--100,100M--19,1G--4,10G--2）
b.一条链路中，对方交换机桥ID越小越优，每个与根桥相连的端口就是根端口
c.端口ID--端口优先级（默认128）+端口号，发送方的端口ID越小越优。
②指定端口（DP）：转发BPDU。
选取规则（单条链路）：
a.开销--越小越优。（10M--100,100M--19,1G--4,10G--2）
b.一条链路中，对方交换机桥ID越小越优，每个与根桥相连的端口就是根端口
c.端口ID--端口优先级（默认128）+端口号，发送方的端口ID越小越优。
③非指定端口（NDP）：选完根端口和指定端口剩下的就是非指定端口。
④替代端口：主要给根端口做备份。
⑤备份端口：主要给指定端口做备份。
4.三种端口状态：
1.discarding--相当于blocking和listening合并，因为RSTP认为这两种状态没有学习MAC地址，只监听BPDU。
2.learning--学习状态，构建MAC地址表，监听BPDU，不能转发数据流。
3.forwarding--能转发数据流，并不断学习新的MAC地址，监听和发送BPDU。
四、MSTP
1.基本概念
多生成树生成树协议（Multiple Spanning Tree Protocol），该协议基于STP协议，对原有的STP协议进行了更加细致的修改和补充。
2.RSTP和STP不足
RSTP和STP还存在同一个缺陷：由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，链路被阻塞后将不承载任何流量，造成带宽浪费，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发。
MSTP功能：①形成多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
②多棵生成树在vlan之间实现负载均衡，不同vlan的流量按照不同路径转发。
3.MSTP特点
①兼容STP和RSTP，既收敛快，对生成树提供了数据转发的多个冗余路径，vlan实现负载均衡。
②通过MSTP把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI（Multiple Spanning Tree Instance），每个域叫做一个MST域（MST Region：Multiple Spanning Tree Region）。
③可将多个相同拓扑的vlan映射到同一实例中，这些vlan在端口上的转发状态取决去端口的对应MST实例的状态。
4.MST域（MST Region)
①域--由域名、修订级别、vlan与实例映射关系组成，三者需一致才能在同一域中。
②域名--32字节的字符串标志MST名称。
③修正号--16bit修正值标志MST修正号。
④同一个MST域内交换机的域名、修正号、映射关系三者必须相同。
⑤交换网络中的多台交换设备以及它们之间的网段所构成一个MST域。
5.vlan与MST映射关系：
①每台交换机最多创建64个实例（1-64），实例0强制存在（没有配置映射关系的vlan默认属于实例 0）。
②在交换机中可以配置将vlan和不同的实例进行映射，没有被映射的vlan默认放在实例 0 中。
③没有配置映射关系前，所有vlan在实例 0 中。
6.CST
公共生成树CST（Common Spanning Tree）是连接交换网络内所有MST域的一棵生成树。
如果把每个MST域看作是一个节点，CST就是这些节点通过STP或RSTP协议计算生成的一棵生成树。
7.IST
内部生成树IST（Internal Spanning Tree）是各MST域内的一棵生成树。
IST是一个特殊的MSTI，MSTI的ID为0，通常称为MSTI0。
IST是CIST在MST域中的一个片段。
8.CIST
公共和内部生成树CIST是通过STP或RSTP协议计算生成的，连接一个交换网络内所有交换设备的单生成树。
9.域根
域根（Regional Root）分为IST（Internal Spanning Tree）域根和MSTI域根。
IST生成树中距离总根（CIST Root）最近的交换设备是IST域根。
一个MST域内可以生成多棵生成树，每棵生成树都称为一个MSTI。MSTI域根是每个多生成树实例的树根。
MSTP网络基本概念示意图
10.端口角色：
①根端口（RP）：在每个非根桥的交换机上选一个根端口，用来接收BPDU，此端口到目的网络的路径最优。
选取规则（单条链路）：
a.开销--越小越优。（10M--100,100M--19,1G--4,10G--2）
b.一条链路中，对方交换机桥ID越小越优，每个与根桥相连的端口就是根端口
c.端口ID--端口优先级（默认128）+端口号，发送方的端口ID越小越优。
②指定端口（DP）：每2s发送和转发BPDU。
选取规则（单条链路）：
a.开销--越小越优。（10M--100,100M--19,1G--4,10G--2）
b.一条链路中，对方交换机桥ID越小越优，每个与根桥相连的端口就是根端口
c.端口ID--端口优先级（默认128）+端口号，发送方的端口ID越小越优。
③A端口（alterna 端口）：根端口的备份。
④B端口（backup 端口）：指定端口的备份。
⑤master端口：
a.是MST域和总根相连的所有路径中最短路径上的端口，是交换设备上连接MST域到总根的端口。
b.master端口是域中报文去往总根的必经之路。
c.master端口是特殊域边缘端口，master端口在CIST的角色是root port，在其他各实例上的角色都是master端口。
⑥域边缘端口：指的是位于MST域边缘并连接其他MST域或者CIT的端口。
⑦边缘端口：a.如果指定端口位于整个域的边缘，不再与任何设备连接，这种端口就叫做边缘端口。
b.边缘端口一般与用户终端设备直接连接。
c.端口使用了MSTP功能后，会默认启动边缘自动探测功能，当端口经过（2*hello时间+1）秒后的时间收不到BPDU报文，自动将端口设置成边缘端口 ，否则就是非边缘端口。
11.端口状态
MSTP的端口状态与RSTP定义相同
1.discarding--相当于blocking和listening合并，因为RSTP认为这两种状态没有学习MAC地址，只监听BPDU。
2.learning--学习状态，构建MAC地址表，监听BPDU，不能转发数据流。
3.forwarding--能转发数据流，并不断学习新的MAC地址，监听和发送BPDU。
注意：1.根端口、master端口、指定端口、域边缘端口支持forwording、learning、discarding状态
A端口B端口仅支持discarding状态。
2.根端口、指定端口、A端口、B端口、边缘端口的作用与RSTP里的端口定义一样，除了边缘
端口意外，其他端口角色都参与MSTP的计算中（同一域内）。
五、STP特性
收敛：一个网络区域从初始化开始经过监听、学习到可以进行数据转发的过程。
收敛时间：收敛过程需要的总时长。
作用：提高收敛速度
1.portfast
对象：连接到主机/服务器的端口上，面向终端（接入层），配置在交换机端口。
原理：直接让配置portfast的交换机端口直接过渡到转发状态，可以提高传输速率，大约节省30s。
2.uplinkfast（思科私有）
提供了非根桥的交换机上快速切换根端口的能力，切换后端口状态变为根端口，跳过listening（15s）、
learning（15s）状态直接过渡到转发状态，将收敛时间减少到1s内。
交换机至少有一个端口处于被阻塞状态，链路失效必须发生在根端口时才有意义，常在双上行去往根桥
的交换机上配置uplinkfast。
一旦配置成uplinkfast，交换机会自动调整一些STP的参数，所有该特性
谨慎使用，参数改变会引起STP拓扑的变化。
a.优先级会增加32768+4096，保证该交换机不会被选为根桥。
b.开销，交换机上所有的端口cost值都增加3000，保证交换机上端口不会被选为指定端口。
uplinkfast通常在老式交换机上使用，新式交换机常用802.1s (MSTP)、802.w （RSTP）。
3.backbonefast--主要检测非直连链路的有效性。
非直连链路：数据不经过的链路，也不经过根端口，包括阻塞端口。
对象：全部设备都可启用
原理：一般情况下只有根桥才会发送配置BPDU，若有非根桥设备无法正常获取根桥发送的BPDU，则此根桥
认为自己是根桥，于是发送一种比根桥发送的BPDU优先级高一点的BPDU（次优BPDU），若其他非根
桥设备收到则会丢弃，20s后阻塞端口重新进入监听状态，并想根桥询问是否存活，若根桥回复存活，
那么就为该设备提供新链路，最终过渡到转发状态。（20s+30s=50s）
根本原因：接收者默认收到次优BPDU直接丢弃，用20s，这时候剔除backbonefast特性，该特性识别到次优BPDU，给
根桥发送RLQ（根链路询问）询问根桥是否存活，若收到根桥回复（存活），那么就为该设备提供新链路，过渡到
转发状态（30s），节省20s。
4.使用特性后的防护手段
a.BPDUguard--BPDU防护
对象：在开启了portfast端口上使用
原理：正常情况下，连接到主机/服务器的端口是不会收到BPDU，此时开启portfast可以收到，但若收到BPDU就
意味着对端可能连接到交换机了，可能产生环路。BPDU防护用来监听该端口是否收到BPDU，若收到则使该
端口down，并且把这个端口状态设置为err-disable（假死状态）。
b.BPDUfilter--BPDU过滤--谨慎使用
对象：在开启了portfast端口上使用。
原理：如果连接的主机/服务器的主机端口，没必要向对端发送BPDU报文，就有BPDU过滤，将该端口发出的
BPDU报文进行过滤。
注意：如果同时配置防护和过滤，过滤基本更高，只用过滤有效果。
c.rootguard--根防护
对象：在可能接收到更优的BPDU报文的根端口上。
作用：巩固根桥地位。
原理：启用根防护，监听BPDU（发送/接收/传输流量），是监听到比根桥更优先的BPDU，就会立即将该端口置
为不一致状态（只能监听BPDU）知道该端口不再监听到更优先的BPDU报文，恢复端口状态，保证根地位。
d.loopguard--环路防护
单向链路故障--一端能发，另一端不能收
对象：根端口/阻塞端口
原理：启用loopguard防护，监听BPDU，只有监听到，才不触发防护，若监听不到，会认为出现故障，触发防护
端口就会变成不一致状态，这个端口只能监听BPDU报文，不能传输数据，直到该端口重新监听到BPDU后才
会恢复。
注意：环路防护主要检测该交换机里是否能转发/接收BPDU。
e.UDLD--检测单项链路故障
原理：启用BPDU会定期给邻居发送UDLDhello包，若无回复，认为该链路出现故障，从而采取措施缓解故障。
模式：①普通模式--措施：将端口置为不一致状态。
②夸张模式：先发一次HELLO包，对方无回复，重新发8次，若还不回，则出现故障，直接down了端口，
置为err-disable状态。
原文：https://www.cnblogs.com/cp-cp/p/13768941.html