生成树协议（STP，Spanning Tree Protocol）是一种网络协议，旨在防止以太网网络中的环路。网络环路可能导致广播风暴，从而使网络瘫痪。STP通过为网络创建一个无环的逻辑拓扑来解决这个问题。以下是STP的关键概念和工作原理：
STP的基本概念
- 根桥（Root Bridge）：
STP算法通过选择一个网络中的根桥（Root Bridge）作为拓扑结构的逻辑中心。根桥是具有最低桥ID的交换机。桥ID由桥优先级和交换机的MAC地址组合而成。 - 路径成本（Path Cost）：
路径成本用于确定从交换机到达根桥的最佳路径。STP选择路径成本最低的路径作为网络中的活动路径。 - 端口角色：
- 根端口（Root Port）： 每个非根桥都有一个指向根桥的端口，称为根端口。
- 指定端口（Designated Port）： 每个网络段都有一个负责传输流量的端口，称为指定端口。
- 非指定端口（Non-designated Port）： 关闭以防止环路的端口。
- 端口状态：
- 阻塞（Blocking）： 不转发数据帧，只接收BPDU（桥协议数据单元）信息。
- 侦听（Listening）： 准备好转发数据帧，并删除旧的MAC地址表项。
- 学习（Learning）： 学习MAC地址并更新MAC地址表。
- 转发（Forwarding）： 转发数据帧。
- 禁用（Disabled）： 端口未参与STP操作。
- BPDU结构：
桥协议数据单元（BPDU，Bridge Protocol Data Unit）是生成树协议（STP）用于交换信息以防止网络环路的关键数据包。BPDU包含关于网络拓扑的信息，帮助交换机决定生成树的结构。
BPDU数据包有两种类型：配置BPDU和TCN（Topology Change Notification）BPDU。配置BPDU用于交换生成树信息，而TCN BPDU用于通知网络拓扑的变化。
配置BPDU字段如下：
- 协议标识符（Protocol Identifier）：
- 长度：2字节
- 描述：用于标识BPDU属于哪个协议。STP的协议标识符通常为0x0000。
- 版本（Version）：
- 长度：1字节
- 描述：指示BPDU的版本号。STP的版本号通常为0。
- BPDU类型（BPDU Type）：
- 长度：1字节
- 描述：指示BPDU的类型，配置BPDU的类型值为0x00。
- 标志（Flags）：
- 长度：1字节
- 描述：包含标志位，指示拓扑变化（TC，Topology Change）和拓扑变化确认（TCA，Topology Change Acknowledgment）等信息。
- 根桥ID（Root Identifier）：
- 长度：8字节
- 描述：包含根桥的优先级和MAC地址。用于标识网络中当前的根桥。
- 根路径成本（Root Path Cost）：
- 长度：4字节
- 描述：从当前交换机到根桥的路径成本。用于计算到根桥的最佳路径。
- 发送桥ID（Bridge Identifier）：
- 长度：8字节
- 描述：包含发送BPDU的桥的优先级和MAC地址。
- 端口ID（Port Identifier）：
- 长度：2字节
- 描述：发送BPDU的端口ID，用于标识交换机上的端口。
- 消息年龄（Message Age）：
- 长度：2字节
- 描述：BPDU在网络中存在的时间，用于防止旧的BPDU在网络中循环。
- 最大老化时间（Max Age）：
- 长度：2字节
- 描述：BPDU在网络中保留的最长时间。
- 端口间隔时间（Hello Time）：
- 长度：2字节
- 描述：交换机发送BPDU的时间间隔，默认值通常为2秒。
- 转发延迟（Forward Delay）：
- 长度：2字节
- 描述：端口从侦听状态到学习状态以及从学习状态到转发状态的等待时间。
TCN BPDU字段
TCN BPDU非常简单，仅包含协议标识符、版本和BPDU类型三个字段，用于通知网络中的拓扑变化。
BPDU的作用
- 选择根桥： 通过交换BPDU，各交换机决定网络中的根桥。
- 防止环路： BPDU包含的信息帮助交换机选择适当的端口状态（阻塞、转发等），防止环路。
- 拓扑变化通知： 当网络拓扑发生变化时，通过TCN BPDU通知其他交换机，促使网络重新计算生成树。
STP的工作原理
- 选择根桥：
所有交换机通过交换BPDU来选举出网络中的根桥。根桥是具有最低桥ID的交换机。 - 确定根端口：
每个非根桥通过计算到根桥的路径成本，选择路径成本最低的端口作为根端口。 - 确定指定端口：
每个网络段选择一个具有最低路径成本的端口作为指定端口。 - 阻塞非指定端口：
STP将其他可能导致环路的端口置于阻塞状态，以防止网络中产生环路。