前言
生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是一种工作在OSI网络模型中第二层（数据链路层）的通信协议，其基本应用是防止交换机冗余链路产生的环路，确保以太网中无环路的逻辑拓扑结构，从而避免广播风暴，防止大量占用交换机的资源。
一、基本原理
STP通过在交换机之间传递一种特殊的协议报文，即网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，BPDU），来确定网络的拓扑结构。BPDU有两种类型：配置BPDU（Configuration BPDU）和TCN BPDU。配置BPDU用于计算无环的生成树，而TCN BPDU则用于在二层网络拓扑发生变化时产生，用来缩短MAC表项的刷新时间（由默认的300s缩短为15s）。
STP按照树的结构来构造网络拓扑，消除网络中的环路。树的结构有一个称为根桥的桥设备作为树的根，根桥的确立是由交换机或网桥的BID（Bridge ID）确定的，BID最小的设备成为二层网络中的根桥。BID由网桥优先级和MAC地址构成，不同厂商的设备的网桥优先级的字节个数可能不同。
二、运行过程
- 选择根网桥：根据交换机的BID选择根网桥，BID值小的为根网桥。当优先级相同时，MAC地址小的为根网桥。
- 选择根端口：每台非根桥设备都会选择一个到根网桥路径最优的端口作为根端口，用于与根桥进行报文交互。选择顺序通常为：到根网桥最低的根路径成本→发送BPDU的网桥ID较小→端口ID较小的。
- 选择指定端口：每个网段上都会选择一个指定端口，用于该网段与根桥之间的通信。选择顺序通常为：根路径成本较低→发送BPDU的交换机的网桥ID值较小→本端口的ID值较小。根网桥上的所有端口都是指定端口。
- 阻塞备用端口：在确定了根端口和指定端口之后，交换机上所有剩余的非根端口和非指定端口统称为备用端口。STP会对这些端口进行逻辑阻塞，它们不能转发用户数据帧，但可以接受并处理STP协议帧。
三、收敛与保护
当网络拓扑发生改变时，STP需要重新计算生成树拓扑。这个过程称为收敛。STP的收敛速度相对较慢，需要50-52秒的时间才能完成拓扑收敛。这是因为STP在检测到网络拓扑变化后，需要等待一段时间（Max Age，默认20s）以确保所有交换机都接收到最新的BPDU，然后才开始重新计算生成树。
尽管STP的收敛速度较慢，但它仍然是一种非常重要的网络协议，因为它解决了核心层网络需要冗余链路的网络健壮性要求，同时避免了因为冗余链路形成的物理环路导致的“广播风暴”问题。
四、局限性
- 收敛速度慢：STP的收敛速度较慢，无法满足一些对网络稳定性要求极高的场景。
- 不能提供负载均衡：STP在消除环路时，只是简单地将环路进行阻塞，这可能导致某些链路无法充分利用，浪费网络资源。
为了克服这些局限性，IEEE推出了快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）和多生成树协议（Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP）。RSTP在STP的基础上进行了优化，通过减少BPDU报文的交互次数和引入新的端口角色（如备份端口、替代端口等），大大加快了网络的收敛速度。MSTP则允许在一个网络中同时运行多个生成树实例，从而提高了网络资源的利用率和灵活性。
五、应用场景
STP广泛应用于各种复杂的网络环境中，如企业网络、数据中心等。它特别适用于需要防止网络环路和广播风暴的场景，以及需要实现网络冗余备份和动态调整的场景。
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