STP简介

一、STP介绍

STP 即生成树协议（Spanning Tree Protocol）一种网络协议

• STP 主要用于解决以太网中的环路问题。在具有冗余链路的网络环境中，环路可能导致广播风暴、重复帧等不良后果，严重影响网络性能和稳定性。
• STP 通过在交换机之间传递信息，计算出一个无环的网络拓扑结构。
• STP 会选择一些链路作为活跃路径，而将其他冗余链路阻塞，从而避免环路的形成。这样既能保证网络的可靠性（当活跃链路出现故障时，阻塞链路可以切换为活跃链路），又能防止环路带来的危害。
• STP 会选举出一个根网桥，其他交换机根据到根网桥的路径开销等因素来确定端口角色，如根端口、指定端口等，同时将非必要的端口置于阻塞状态。

二、STP基本概念

1. 根交换机(根桥）：根交换机是整个网络的逻辑中心，会随着网络拓扑的变化而变化。在网络收敛后，根桥会按照一定的时间向外发送 BPDU（桥协议数据单元）包，非根桥设备会转发该数据包。
2. 根端口：根端口是指非根桥上去往根桥的根路径开销最小的接口，负责往根桥方向转发数据。
3. 指定端口：指定端口是指连接到根桥或具有最低路径开销的端口。
4. 阻塞非根、非指定端口：将其他非根、非指定端口阻塞，以防止形成环路。
5. STP 桥协议数据单元（BPDU）：BPDU 是 STP 协议中用于交换拓扑信息的数据包。它包含了有关交换机、端口、路径成本等的信息，用于确定网络的拓扑结构和端口状态。
6. 交换机 ID：交换机 ID 是交换机的唯一标识。在 STP 中，交换机 ID 用于确定根交换机和其他交换机的角色。交换机 ID 通常由优先级和 MAC 地址组成。
7. 端口 ID：端口 ID 是端口的唯一标识。在 STP 中，端口 ID 用于确定端口的角色和状态。端口 ID 通常由端口号和优先级组成。
8. 路径成本（Path Cost）：路径成本是指从一个端口到根交换机的路径上的所有链路的成本之和。路径成本通常与链路的带宽、延迟等因素有关。在 STP 中，路径成本用于确定端口的角色和状态。

三、STP实现过程

1. 选举根网桥：网桥之间通过交换 BPDU 信息，比较网桥 ID（由优先级和 MAC 地址组成），具有最小网桥 ID 的交换机成为根网桥。
2. 确定根端口：非根网桥选择到根网桥路径开销最小的端口作为根端口。路径开销根据链路带宽等因素计算。
3. 选举指定端口：每个网段上会选举出一个指定端口，通常是该网段到根网桥路径开销最小的端口。
4. 阻塞剩余端口：除了根端口和指定端口外，其他端口被阻塞，处于备用状态，以避免环路。
5. 收敛与维护：一旦网络拓扑发生变化（如链路故障或新增链路），STP 会重新进行计算和调整端口状态，以确保网络的无环运行。在正常运行过程中，STP 也会定期发送 BPDU 来维护网络拓扑的稳定性。

四、STP的典型应用

1. 避免网络环路：防止冗余链路形成的环路导致广播风暴、数据包重复等问题，保障网络的正常通信和稳定运行。
2. 提高网络可靠性：通过阻塞部分端口形成无环拓扑，同时在链路故障时能自动重新计算和调整端口状态，实现链路备份和快速恢复。
3. 网络规划与设计：帮助网络工程师在设计网络架构时合理规划链路和交换机的布局，以确保网络的高效性和可靠性。
4. 大型网络构建：在诸如企业园区网、数据中心等大型网络环境中，STP 可以有效地管理网络拓扑，确保数据的正确传输。

五、STP的优缺点

STP 的优缺点主要包括：

优点：

1. 防止环路：有效避免了网络中由于冗余链路导致的广播风暴等问题，保障网络的基本稳定性。
2. 提供备份路径：在正常链路出现故障时，通过拓扑重新计算可以启用备份链路，增强网络的可靠性。

缺点：

1. 收敛速度较慢：在网络拓扑发生变化时，需要一定时间来重新计算生成树，可能会导致短暂的网络中断或性能下降。
2. 资源利用不充分：由于阻塞了部分端口，可能会导致网络资源不能得到充分利用。
3. 不灵活：对于一些复杂的网络需求和动态变化的环境，适应性相对较差。
4. 可能出现误报：网络中的不稳定因素、配置问题或外界干扰等可能导致误报，从而引发不必要的拓扑变化，甚至可能导致断网等不良影响。

六、STP、RSTP与MSTP

STP（生成树）：

• 收敛速度较慢，当网络拓扑发生变化时，可能需要较长时间来重新计算和稳定拓扑。
• 只有一棵生成树，对于较复杂的网络环境可能不够灵活。

RSTP（快速生成树）：

• 相比 STP，收敛速度有较大提升，能更快地适应拓扑变化。
• 引入了新的端口角色和状态机制，提高了网络的可靠性和灵活性。

MSTP（多生成树）：

• 可以将一个交换网络划分成多个域，每个域内可以有独立的生成树，实现了更好的网络规划和流量分担。
• 能更有效地利用网络资源，适应大型复杂网络的需求。