环路引起的问题

二层交换网络

随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如果交换机之间仅使用一条链路互连，则可能会出现单点故障，导致业务中断。为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。
冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题

广播风暴

1. 环路会引起广播风暴
2. 网络中的主机会瘦到重复数据帧

根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。
环路会引起MAC地址表震荡

STP工作原理

STP通过阻塞端口来消除环路，并能后实现链路备份的目的。

STP的主要作用：

1. 消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
2. 链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连接

STP操作

• 选举一个根桥

• 每个非根交换机选举一个根端口

• 每个网段选举一个指定端口

• 阻塞非根 非指定端口
  STP通过构造一棵树来消除交换网络的环路。
  每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥，根桥或根交换机位于整个逻辑树的根部，是stp网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种信息被称为BPDU。BPDU中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息
  - STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口，预备端口

• 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口，一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。

• 根端口是非法交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。

• 如果一个端口既不是根端口也不是指定端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

根桥选举

• 每一台交换机启动STP后，都认为自己是根桥
  STP中根桥的选举依据的是桥ID，STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备（桥ID最小）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。
  交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。

指定端口选举

• 非根交换机在选举指定端口时分别依据更具路径开销，BID,PID

• 未被选举位根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞
  端口状态转换
  运行STP协议的设备上端口状态有5种
  

• Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态

• Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路

• Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量

• Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态
  Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量
  BPDU
  BPDU包含桥ID、路径开销、端口ID、计时器等参数。

为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。
BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。
配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机,以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。
配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，其中包含的重要信息如下：
根桥ID：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根。
根路径开销：到根桥的最短路径开销。
指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC地址组成。
指定端口ID：由指定端口的优先级和端口号组成。
Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期。
Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
Hello Time：配置BPDU发送的周期。
Forward Delay：端口状态迁移的延时。
计时器

• 配置BPDU报文每经过一个交换机Message Age都加1
• 如果Message Age大于Max Age，非根桥会丢弃该配置BPDU。