为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。
一、环路引起的问题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。 本例中，主机A向外发送了一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后，将其转发到SWA和SWC，SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SWB，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。
MAC地址表震荡交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。 主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/3，并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。 SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。 SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。 SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。
STP工作原理在以太网二层网络中的环路问题，造成广播风暴、MAC地址震荡和数据帧重复等问题，为了解决交换网络中的问题，提出STP，STP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：当活动链路出现问题，激活备份链路使用，恢复网络连通性；
STP操作STP是通过构造一颗树型来消除环路的。 每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥，根桥与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。当现有的根桥设备故障时，非根桥设备之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种信息叫BPDU，BPDU包含了交换机在参加STP计算所有参数信息。 指定端口是交换机向所连网段配置的BPDU端口，每个网段有且只有一个指定端口，一般情况下，根桥下每个端口总是指定端口。 根端口是非根桥设备通往根桥最优路径的端口，在运行STP协议的交换机上只有一个根端口，根桥设备没有根端口。 如果一个端口既不是根端口也不是指定端口，则就是预备端口，该端口会被阻塞。 注意： STP定义了三个端口：根端口（R）、指定端口（D）、预备端口（A）； 每个非根桥设备都会选举一个根端口； 每一个网段都会选举一个都会选举一个指定端口；
STP选举过程根桥设备选举 ：桥ID >> MAC （比较值小，越小越优先）
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。
根端口选举：根据路径开销，选择到根桥设备路径最优的端口 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。 交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口发送数据时的开销值，即出端口的开销。STP认为从一个端口接收数据是没有开销的。端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和，即根路径开销RPC（Root Path Cost）。非根桥根据根路径开销来确定到达根桥的最短路径，并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。 一般情况下，企业网络中会存在多厂商的交换设备，华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供最大程度的兼容性。缺省情况下，华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID（port ID)可以用来确定端口角色。 每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个最近的衡量标准是靠累计根路径开销来判定的，即累计根路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中累计根路径开销字段的值，加上该端口本身的路径开销即为累计根路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计根路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。
指定端口选举：累计开销（cost） >> 桥ID（BID） >> 端口ID（PID） 在网段上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU报文的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。 指定端口的选举也是首先比较累计根路径开销，累计根路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计根路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计根路径开销和所在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。 网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。
端口状态转换 1 >> 端口初始化或使能; 2 >> 端口被选为根端口或指定端口; 3 >> 端口不再是根端口或指定端口; 4 >> forward delay计时器超时; 5 >> 端口禁用或链路失效; 图中所示为STP的端口状态迁移机制，运行STP协议的设备上端口状态有5种： 1）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。 2）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。 3）Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。 4）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。 5）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。
STP计时器Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效。 配置BPDU(Hello Time)每隔2s由根桥发送一次，其他设备中继，非根交换机连续十个周期没有收到根桥发下来的BPDU报文，会认为根桥发生故障，重新选举。 Message Age:如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。否则，Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。 Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。
STP拓扑变化非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。 在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。
直连链路故障 SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。 SWB的预备端口会在30 秒后恢复到转发状态。 SWB的指定端口（D）转换成根端口（R），SWC的预备端口（A）转换成指定端口（D），经过2倍的Forward Delay（30S）后恢复到转发状态。
STP命令配置 [SWA]stp mode ? //stp有三种模式，mstp与rstp对stp改进，加快收敛机制 mstp Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) mode rstp Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) mode stp Spanning Tree Protocol (STP) mode[SWA]stp mode stp[SWA]stp priority 4096 //配置优先级，priority值为整数，取值范围为0到61440，步长为4096，stp root primary命令指定生成树里的根桥[SWA]display stp //查看STP配置 CIST Bridge~桥ID、Bridge Times~hello定时器时间、Forward Delay~定时器、max age~老化时间等 STP的不足点1）STP依靠计时器超时来防止环路； 2）（根端口）RP端口故障，（预备端口）AP端口顶替（根端口）RP端口的话，需要30S时间； 3）预备端口（AR）不会回应从对端设备接收过来的次优BPDU报文； 4）终端设备和交换机设备的接口老化时间也要30S时间； 5）STP拓扑更变机制比较复杂； 6）角色有3种，状态有5种；