生成树、生成树工作原理、生成树算法、BPDU及生成树应用实例
一、网络环路问题
当网络中存在物理环路时，会导致广播风暴，会产生巨大的网络流量，极其容易造成交换机死机
如下图所示，有两台交换机A、B，交换机A的0/3端口连接MAC地址为11的客户端，交换机B的0/3端口连接MAC地址为22的客户端，交换机A的0/1端口和交换机B的0/2端口相连，从而使11和22可以通信。但是如果此时交换机A和B相连的这根线断了怎么办呢？所以为了防止网络失效，我们在交换机A和B之间再连一根线，用交换机A的0/2端口连接交换机B的0/1端口，从而达到冗余备份的效果。
但是直接这么连的话，会有一个问题。比如11要给22发送数据，我们知道交换机会学习维护一个MAC地址表，此时交换机A学到 11 和 0/3 的一个对应关系，因为此时交换机A中的MAC地址表中没有目的地址，所以这个数据会广播给交换机A的所有端口。 当从交换机A的0/1端口出去时，此时交换机B会学到 11 和 0/2 的一个对应关系，因为没有目的地址，然后交换机B也会执行广播，把数据发给他的所有端口，最终这个数据又从A的0/2端口回到了交换机A，此时交换机A又学到了11 和 0/2的一个对应关系。
当从交换机A的0/2端口出去时，此时交换机B会学到 11 和 0/1 的一个对应关系，因为没有目的地址，然后交换机B也会执行广播，把数据发给他的所有端口，最终这个数据又从A的0/1端口回到了交换机A，此时交换机A又学到了11 和 0/1的一个对应关系。
最后在这两个交换机之间形成了2个圈，这个圈就被叫做网络环路。这个网络环路会永远不停的在交换机内部之间进行运转，直到交换机死机为止。
我们可以看到网络环路是必须要解决的问题，当网络中存在物理环路时，会导致广播风暴，会产生巨大的网络流量，极其容易造成交换机死机。如下图所示：
二、生成树协议及工作原理
生成树协议可以解决上述网络环路问题。生成树协议： Spanning-Tree Protocal ，简称STP。
STP工作原理
如下图所示，三个交换机之间两两相连，很明显这个网络存在网络环路问题。生成树是如何防止环路发生的呢？
1、把某一条链路的某一个端口逻辑上down掉，从逻辑上断开环路，从而避免环路发生，注意这里只是在逻辑上down掉端口，并没有真正的把线拔掉
2、 当任意一条主链路发生故障时（主链路即交换机A和B，B和C之间的线），断开的端口将被自动激活，恢复通信，从而起到冗余备份的作用。
这就是生成树的工作原理，总结如下：
1、某一条链路的某一个端口逻辑上down掉，从逻辑上断开环路，从而避免环路发生
2、当任意一条主链路发生故障时（，断开的端口将被自动激活，恢复通信，从而起到冗余备份的作用。
三、STP算法
在生成树中，我们要down掉哪条链路的哪个端口呢？总不能随便去down，生成树通过生成树算法来决定down掉哪个端口。
STP将一个环形网络生成无环拓扑结构需要三步：
1、选择根网桥（root bridge），网桥其实就是交换机，即选择根交换机
2、选择根端口（root ports）
3、选择指定端口（designated ports）
1、选择根网桥
每台交换机都有一个ID，交换机ID被称为BID，每个交换机的BID都是唯一的，所以不可能发生冲突，交换机之间选择BID值最小的交换机作为网络中的根网桥。BID是由2字节的交换机优先级和6字节的交换机MAC地址组成的，华为的交换机优先级取值范围为0-61440，默认值为32768,我们在给交换机配置优先级时，不能随便配，所配的优先级数字必须能被2整除，且必须是16的整倍数，且最小值为4096，例如配成4096，8192 等。选择根网桥时，先比较网桥优先级大小，在比较网桥MAC地址大小。
如下图所示，我们可以看出，应该选择交换机SWA为根网桥。
2、选择根端口
首先我们要明白，根端口并不在根交换机上，根端口是指用来从根交换机那里接收信息的端口。在网络中，除了根网桥以外，所有的其他交换机都是非跟网桥，所以根端口就在非根网桥上。选择根端口也分为4步：
@1：最低的到达根网桥的路径开销
根路径成本：是非根网桥到根网桥的路径上所有链路的成本之和。如下图所示，交换机B到根网桥交换机A的根路径成本是19，交换机C到B的根路径成本是100，那么交换机C到A的根路径成本就是119。而根路径成本是根据网络的带宽来决定的，带宽越高，根路径成本越低，带宽越低，根路径成本越高，如下图所示：
在下图例子中，我们看到交换机之间的带宽都是100M，所以他们的根路径成本都是19，在选择根端口时，交换机C右边端口的根路径成本为19+19=38，而交换机C左边端口的根路径成本为19。所以我们可以直接选择出非根网桥B、C上的根端口。
@2：最低的发送方网桥ID
当根路径成本一样时，我们没办法直接选择出根端口。如下图所示：交换机A为根网桥，B为非根网桥，带宽都是100M，此时B上的两个端口到A的根路径成本都是19，此时就需要根据最低的发送方网桥ID来判断。但是现在对于交换机B来讲，A就是发送方，两条链路的发送方都是A，所以我们也无法根据发送方网桥ID来选，此时就要看第三步了。
@3：最低的端口优先级
什么是端口优先级呢？类似于交换机有自己的BID，端口也有自己的PID，端口PID由8位的端口优先级和8位的端口编号组成。每一个端口都有一个自己的PID值。端口优先级的取值范围是0-240，默认值是128。可以选择最低的端口优先级作为根端口。但是如上题所示，如果交换机B的配置都是默认的，那么交换机B的两个端口优先级都是128，此时还没办法选出根端口，这时就要看第4步。
@4：发送方最低的端口ID
如果端口优先级是默认的128，端口编号是E/0/0/1，那么在计算端口ID时，是以小数点的形式计算的，这个的端口ID就是128.1，E/0/0/22的端口ID就是128.22。所以在上边那个题中，如果前三步都一样，我们此时要选择发送方最低的端口ID，对于交换机B来说，A是发送方，A的两个端口中，我们看谁的端口ID比较低，然后选择较低端口对端的B上的端口作为根端口。
3、选择指定端口
根网桥上的所有端口均为指定端口。这里说的选择指定端口是指在非根网桥上选择指定端口。为什么需要在非根网桥上选择指定端口呢？
如下图所示，交换机B是根网桥，交换机A下边的端口和交换机C左边的端口是根端口。为了防止网络环路，我们要在交换机AC之间的链路上选择一个端口down掉，而另一个端口就是指定端口。
选择指定端口也需要4步：
1、BPDU中的根网桥ID
如上边问题中的图所示，我们可以看到只有交换机B是根网桥，所以BPDU中的根网桥是一样的，所以根网桥ID也是一样的，无法选择出来。在看第二步。
2、最低的到达根网桥的路径开销
交换机A右边的端口到根网桥B的开销是38，交换机A上边的端口到交换机B的路径开销也是38，所以还是一样的。依然无法选择出来。在看第三步。
3、发送方的网桥ID
对于A和C来说，发送方都是B，所以发送方网桥ID也是一样的，在看第4步。
4、若优先级相同，则具有最低MAC地址
其实就是比较交换机C和A谁的PID值最小。若经过比较，C的PID较小，则C上的端口就为指定端口。
所以最后A右边的端口就成为了要down掉的端口。
四、BPDU
1、什么是BPDU
BPDU：bridge protocol data unit 。桥接协议数据单元。
我们说在选择根网桥时，是根据PID来选择的，选择网络中PID值最小的交换机作为根网桥。但是交换机如何获取其他交换机的PID值从而进行比较呢？
交换机把各自之间相互比较要用到的信息放到BPDU中，BPDU相当于一个载体，正常情况下，BPDU中是空的，当交换机想比较PID值时，他们需要把PID值放到BPDU中，然后把BPDU发送给别的交换机，这样交换机就知道别的交换机的PID值了。如果想比较别的，就把要比较的信息放到BPDU中传过去。所以BPDU就相当于一个载体，用来发送交换机要比较的数据。
所以STP使用BPDU来选择根网桥，同时也使用BPDU来计算根路径成本。在生成树当中，我们的交换机之间所传递的所有信息都是使用BPDU来传递的。
总之：交换机之间使用BPDU来交换STP信息。
另外，BPDU使用组播发送，组播地址为：01-80-C2-00-00-00，这个地址是固定的，不会改变。组播的概念为每个交换机都把自己的BPDU传送到这个组播地址，那么同组的其他交换机就都可以收到这个信息了。
BPDU有两种类型：
配置BPDU：用于生成树计算
拓扑变更通告 TCN BPDU：用于通告网络拓扑的变化。
2、BPDU的时间间隔和控制范围
每经过2S，交换机就会发送一次BPDU，用来保持活跃性。不然如果有一个交换机挂了，别的交换机也不知道。所以每隔2S,网络中的交换机就互相发送一次BPDU。
BPDU每经过一个交换机，message age加1，若message age大于max age，则非根网桥丢弃该BPDU。max age的值为20。可以通过max age来控制生成树网络的范围。
五、STP应用实例
实例一：
分析结果如下：
实例二：
分析结果如下：
注意：分析的时候我们要一个环路一个环路的分析，不能混在一块儿看。另外根端口对端的端口一般都是指定端口。
六、STP的五种端口状态
1、禁用状态（disable）: 端口是关闭的，没有启用。不发送BPDU，也不接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据。
2、阻塞状态（discarding）：即我们前边提到的down掉的端口就是阻塞状态。不发送BPDU，但是可以接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据。
3、侦听状态（listening）: 发送BPDU，也接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据。
4、学习状态（learning）：发送BPDU，也接收BPDU，学习MAC地址，不转发数据。
5、转发状态（forwarding）: 发送BPDU，也接收BPDU，学习MAC地址，转发数据。
其中侦听状态和学习状态被称为中间态，所谓中间态是指交换机的端口不会一直停留在侦听和学习状态，这两个状态只是生成树在网络中的一个中间状态，最终端口的状态要么在转发态，要么在阻塞态，要么在禁用态。
七、STP计时器
我们前边说到，生成树是为了解决网络环路的问题。当有一条链路换掉时，被down掉的端口会UP起来，不会影响通信。但是这个端口会立即UP起来嘛？当然不是，这个端口需要整整50S才会UP起来。如下图所示，从阻塞态到侦听态需要20S的时间，从侦听态到学习态需要15S的时间，从学习态到转发态需要15S的时间，所以总共需要50S的时间这个端口才开始转发数据。
八、STP的配置
在交换机上，STP技术默认随着设备的启动而自动运行，即会自动选择根网桥根端口等。但是我们也可以手动进行配置，将一个交换机手动配置成根网桥。
另外生成树有三种模式：
普通生成树
快速生成树
多生成树
今天描述的知识都是普通生成树，另外两种之后在解释！！！
九、交换机编号、
思科交换机：
比如E 0 / 1 : 表示的是第一个模块的第一个端口。 E 0/12 : 第一个模块的第12个端口。E1/6 : 第二个模块的第6个端口。 前边的数字代表的是模块，后边的数字代表的是端口。 G0/1： G表示的是千兆口的意思。
华为交换机：
华为交换机由3位组成。比如 E0/0/1: 表示第一个板卡第一个模块的第一个端口。 所以三位的时候表示的分别是板卡、模块、端口。
