HCIA STP原理
一、前言
STP（生成树协议）是应用在交换机中的一个协议，主要用途是解决交换机环路问题，本篇总结了环路产生原因、STP原理、STP配置。
二、环路
网络中环路的危害比较好说，比如广播风暴、MAC地址漂移，反正网络中出现了环路肯定是不好的。而环路出现的原因一般是因为“冗余”，一般的示例如下图，让我不好理解的是LSW14和LSW12为什么要连一根线，这样做有什么意义吗？虽然3台交换机用作示例是比较好处理的。
所以我更喜欢用下面的网络结构，看起来比较实际。
上图结构的问题很明显，汇聚交换机如果只有一台那是非常危险的，如果出现单台的故障那整个公司的网络都“扑街”，所以汇聚层必然是需要“冗余”一台的，像下图这样。
这样看不出环路问题，我们只需要稍微挪一下，可以看出4台交换机其实是一个环路。
要打破环路也很简单，比如我们将其中一根线人为断开，比如把某个端口down掉。
但这样产生了新的问题，那就是当主用的LSW5故障时，LSW4下面的网络就瘫痪了，这时候需要我们人为的去把LSW15的端口up起来。从发现网络故障到找到人去up端口中间可能过去半个多小时了，这对于一些重要业务来说是不可接受的。所以就需要一个协议或者机制可以自动down掉某个端口来断开链路，在发生单机故障时又能自动恢复链路使网络恢复正常。
这样的东西已经有啦，那就是STP生成树协议。
三、STP原理
1．生成树
STP为什么要叫生成树协议呢？想象一下，有什么东西既没有环路，各个节点之间又可以互通的。那不就是“树”了嘛，比如下图这样“复杂”的网络结构。
我们只是在接入层的交换机也做了主备，稍微整理下，会发现出现了至少4个环路，如下图。
如果要使环路消失，同时每一台交换机又能够互通，我们需要“断开”不必要的链路，比如像下图这样。
这是不是看起来就像树，LSW1是根，其他的是分支。如果网络继续复杂，我们在汇聚层上面再加一层，也是主备。
稍微整理下，你会发现结构其实非常熟悉。
所以要打破网络中的环路，最重要的是找到一个“根”，接着从根出发找到最快到达所有节点的路径，最后将不必要的路径“断开”。为了从功能上实现这一点，STP协议使用了一些概念：
1）根网桥与非根网桥，根网桥就是作为树根的交换机，非根网桥就是除树根外其他所有的交换机。
2）根端口，非根网桥上，距离根较近的端口
3）指定端口，每一条链路上，距离根较近的端口
4）阻塞端口，如果一个端口不是根端口，也不是指定端口，那他就是阻塞端口。我们将阻塞端口阻塞起来，网络中的环路就消失啦。
为了依次找到根网桥、根端口、指定端口等，STP协议做了一些约定，并根据约定做各项“选举”，最终得到根和各端口。
2．根网桥
根网桥选举依据：
1）先看优先级
2）优先级一样看MAC地址
3）相对较小的是根网桥
通过“dispay stp”命令，可以查看CIST Bridge这个值，其中32768就是优先级，4C1F-CC33-2ADE就是MAC地址，可见所有交换机默认优先级都是一样的32768，那就比较MAC地址较小的，其中LSW4的MAC地址相对最小，所以它就是根网桥，其他除LSW4之外的就是非根网桥。CIST Bridge就是桥ID，也即是BID。
3．根端口
根端口指的是“非根网桥”上，距离根网桥较近的端口，而且每一个非根网桥上有且只有一个根端口，其实也就是在交换机上的所有端口中选一个根端口。选举依据有：
1）路径开销，就是端口的带宽，带宽越大开销越小，端口总开销的计算是“将根桥到达端口前所有’入’端口开销加起来”，这里只计算入口不计算出口，总开销较小的就是根端口。我们使用的交换机端口默认开销都是200000，这个可以通过display stp查询。
2）对端BID，如果开销一致，则比较对端的BID（也就是CIST Bridge的值），值较小的就是根端口。
3）对端PID，如果BID也一样就比较对端的PID，PID指的是Port ID，由端口优先级（默认128）+端口号组成。
4）本端PID，如果对端PID也一样，那就比较本端的PID，较小的就是根端口了。
下图将所有端口的总COST都标示出来了。
对于LSW2，两个端口的总COST一样，对端BID明显是靠近根桥的那个更小，所以E0/0/2是根端口。同理LSW3的的E0/0/2是根端口。同理LSW1的根端口是E0/0/2。
为了做下一步的分析，我们假设LSW1两个端口对端的BID一致（这样才能继续分析PID的情况）。可以看到对于LSW1的两个端口，其对端PID是相等的，所以接着可以比本端PID，这个不可能会相等，所以在这个假设情况下E0/0/1会成为根端口，不过这只是假设哈。
我们实际选举出的根端口应如下图所示。
4．指定端口
指定端口，指的是链路上的两个端口中，距离根网桥最近的端口，选举依据有：
1）路径开销，链路上两个端口中路径开销最小的就是指定端口
2）交换机BID，路径开销一样时，链路上两个端口所在交换机BID较小的是指定端口
3）端口PID，BID也一样时，则比较端口的PID，较小的是指定端口
注意前面选根端口时是在同一个交换机上的不同端口进行选举，而现在是同一个链路上的两个端口间进行选举。像下图标红处，一个链路是由两个端口连接在一起形成的，指定端口要在组成链路的两个端口上进行选举。
其实一个正常的链路在比较BID时就能得到指定端口了，但为预防有人把同一个交换机的两个端口连起来，所以再加了个PID的比较就万无一失了。
此外，对于根网桥上的端口，它的端口COST值是200000，但它到根网桥实际开销其实是0，因为他就在根网桥上。根据开销的比较我们可以得到所有指定端口如下图：
5．阻塞端口
最后非根、非指定端口就是我们要阻塞的端口了，也就是LSW1上的E 0/0/1这个端口。
四、STP配置
通过命令display stp，可以看到交换机默认就启用了MSTP协议，现在我们将其调整为stp协议，并看下执行结果与我们预期的是否一致。
一共只需要3个命令就完成了STP的启用。
而后我们用display stp命令看下结果，如下图，根据MAC地址可以知道LSW4确实被选为根网桥。
接着我们可以看看LSW4的两个端口状态，如下图，Designated port就是指定端口的意思。
再看下LSW2和LSW3，可以看到两个端口的状态都是无误的。
最后看一下LSW1，一个根端口一个阻塞端口，其中Alternate是备用的意思，所谓阻塞端口也就是备用端口的意思，当其他链路出现故障时，这个端口会被启用作为备用的意思。
五、回顾
STP相关的命令不多，而根桥、根端口、指定端口的选举也不复杂，需要注意的是端口总“开销”指的是根桥到该端口所需要“入”的端口开销和。
