写在前面
本文旨在描述STP(802.1d)的一些基本概念，搞清楚其消除二层环路的原理，为后面的RSTP已经MSTP的学习做铺垫。STP是一个高度自动化的协议，一两条简单的命令就可以让其自动计算，链路故障时也可以自动恢复，但只有真正掌握其实现原理，才能在故障时进行修复，才能合理的使用其安全特性和优化特性。现有的STP有多个版本，包括标准STP(802.1d),快速RSTP(802.1w), 多实例MSTP(802.1s)。思科使用PVSTP(per-vlan stp)替代标准STP.
STP的作用
STP不仅仅是为了消除二层环路，其根本的作用是提供L2线路冗余的同时避免环路。二层环路会带来下面几个问题：
- 广播风暴
- 重复帧
- MAC地址跳跃
STP如何实现冗余及避免环路的
当有环的时候通过阻塞某些端口破坏环路，当线路挂掉的时候通过恢复之前阻塞的端口继续提供服务。要达到这样的效果，需要额外的检查，STP通过BPDU(bridge protocol data unit)来实现这种额外的检查。
这种检查的基本逻辑是，确定设备的角色，然后再确定设备上端口的角色，确定端口的状态，根据角色、状态这两个属性确定端口对报文的接收、发送、转发、学习、丢弃能力。
STP中的一些重要概念
BID
BID由优先级和参与STP计算的最小端口MAC地址组成，默认优先级是32768, 思科默认运行的PVSRT中会将vlan ID加到优先级中，所以它的默认优先级是32768+1。
根桥
STP的目的是形成一颗以根桥为起点的无环树状结构，根桥是BID最小的网桥。
3中端口角色
| 端口角色 | 说明 |
|---|---|
| root port(RP) | 非根交换机到跟交换机cost最小的端口，上联根桥的端口 |
| designated port(DP) | 根桥和非根桥上都有，根桥的所有端口都是DP，连接下游的端口 |
| Alternate port(AP) | 剩下的端口都是AP,AP端口一般都处于blocking状态, 只接收BPDU，不做任何转发处理 |
5种端口状态
| 状态 | 说明 |
|---|---|
| disabled | 该状态下的端口没有激活，不参与STP的任何动作，不转发用户流量 |
| blocking | 只能接收BPDU |
| listening | 该状态下的端口可以接收和发送BPDU，但不转发用户流量，不学习mac地址 |
| learning | 该状态下建立无环的转发表，不转发用户流量，学习mac地址 |
| forwarding | 接收和发送BPDU，也转发用户流量 |
四个计时器
STP很多工作的完成都依赖计时器，这些计时器可以保证拓扑进入无环状态才转发数据，链路故障时完成收敛，同时也是其收敛时间过长的原因。不同厂家在此都有一些优化策略。
| 计时器 | 说明 |
|---|---|
| message age | 每经过交换机relay一次加1秒，类似IP报文中的TTL，大于MAX_age后不处理，防止网络半径太大 |
| max age | 消息老化时间，默认20秒 |
| hello time | 发送两个消息之间的间隔，默认2秒 |
| forward delag | 控制listening和learning之间的状态切换延时，默认15秒 |
BPDU
BPDU是STP协议的核心，BPDU承载上述的某些参数，完成根桥的选举，端口的选举。BPDU报文字段如下：
| protocol identical | protocol version | BPDU type | flags | root identifier | root path cost | bridge identifier | port identifier | message age | max age | hello time | forward delay |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ID为0 | stp为0，rstp为2，mstp为3 | 0x00:配置BPDU,0x80:TCN BPDU，0x02：RST BPDU或MST BPDU | 最高位为1表示TCA，最低位为1表示TC | 根桥ID | 发送桥到根桥的开销 | sender BID | sender PID | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 |
root past cost与带宽相关，一般ethernet(10M)的cost是100, 数值越小优先级越高。port ID由优先级.端口号组成，优先级默认为128, 如Eth0的port ID为128.1
这些参数可以在show spanning命令下看到。
根桥的选举，端口角色的选举，本质就是不同设备BPDU的对比，不同端口收到的BPDU的选举。这里介绍一个概念superior BPDU. superior BPDU满足如下条件：
- BID最优
- 如果条件1一致，root past cost最优的为superior BPDU
- 如果条件1,2一致，sender BID最优的为superior BPDU
- 如果1,2,3一致，sender PID最优的为superior BPDU
- 如果1,2,3,4一致，receiver PID最优的为superior BPDU
STP中涉及到参数比较的都是数值越小优先级越高，BID和PID类似，都是先比较优先级，如果优先级一致，再比较mac地址或端口号。与之相对不满足上述条件的则成为inferior BPDU。
此外需要知道一个细节，端口会存储最近收到的superior BPDU(加上该端口的cost)，并对他进行老化，老化时间为max_age-message_age。典型场景是AP收不到superior BPDU, 20秒后老化变成DP，这样可以保证超时信息从拓扑中移除。只有RP和AP上会存储superior BPDU, DP只负责转发。
STP的选举流程
根桥的选举
刚开始时，所有的交换机认为自己是根桥，所有端口都是DP(listening)，将root id和bridge id字段都填充自己的BID向外发送(组播)，经过一段时间收敛后，BID最优的被选成根桥。本质就是不同交换机之间BPDU的比较，根桥的BPDU为superior BPDU.根桥选定之后，只有根桥向外发送配置BPDU，其它交换机只负责接收和转发，端口都是DP(listening).
如图所示，S1的BID优先级最小，选举成为根桥。根端口的选举
在成环的拓扑中，非根桥会从多个端口收到根桥发来的BPDU，从这些BPDU中选出superior BPDU作为根端口。
如图所示，以S3为例，会从eth0,eth2,eth3三个端口收到根桥发来的BPDU，eth3收到的是S2中继的BPDU，cost值大，而eth0和eth2收到的BPDU的cost为0, 所以在eth0和eth2之间选。sender BID都是S1，看PID，S3上eth0收到的是S1上eth1发出，PID小(优先级一样，看端口号), 所以S3上eth0是RP。换言之，S3的3个端口收到的BPDU中，eth0收到的是superior BPDU。指定端口的选举
根桥上的所有端口都是DP，对于非根桥设备，除RP外，将端口收到的BPDU与发出的BPDU对比，superior BPDU的作为DP，inferior BPDU则作为AP.
任一链路中肯定有一个DP，如图所示，以S2为例，eth0是RP，剩下eth2进行DP选举，eth2中继eth0收到的BPDU给S3的eth3(发出的BPDU)，S3的eth3中继eth0收到的BPDU给S2的eth2(收到的BPDU)，cost一致，比较sender BID，两者优先级一致，但S2的MAC更小，所以S2的eth2是DP, 同理，S3的eth3是AP。换言之，S2的eth2发出的BPDU相较于收到的BPDU是superior BPDU。
选举完成之后，DP和RP经过listening和learning的时延后进入forwarding状态，AP则处于blocking状态，破除拓扑的环路。根桥周期向外发送配置BPDU，非根桥从RP接收superior BPDU，加上RP的cost，将bridge ID字段改成自己的，从DP向外中继该BPDU(源MAC改成DP的MAC).
STP收敛场景描述
只有当RP挂点后才有收敛的意义(链路必定有一端是RP)。交换机通过两种方式可以感知到线路故障。
直接感知
链路物理上是直连的。这种场景下又可以分两种情况。
交换机上没有存储BPDU的端口
当交换机感知到端口down掉后，会立马清除该端口上存储的BPDU, 如果没有其它存储BPDU的端口，那么该交换机就会宣告自己是新的根桥，并将自己的配置BPDU向外发送，由于真实根桥依然存在，其它交换机收到的是inferior BPDU, 不会对其做任何处理，直至收到inferior BPDU的端口超时。
如STP选举流程中的图示，当S2的eth0端口down掉之后，S2认为自己是根桥，通过eth2给S3的eth3发送inferior BPDU(TC置位)，S3的eth3一直收不到superior BPDU，最终会超时(20秒)，之后变成DP(经过listening，learning的30秒时延后变成forwarding状态，通过RP发送TCN)，并立即向S2中继superior BPDU，S2收到之后知道根桥的存在，停止发送BPDU，并将eth2选举成RP(原则上应该经历listening，learning再转成forwarding，思科上直接变成forwarding，应该是做了优化)，RP变成forwarding状态后发送TCN报文，所以收敛的总耗时接近50秒(超时没有算message_age).
交换机上有存储BPDU的端口
同上，如果交换机上有其它存储BPDU的端口，那么会在这些端口中选出superior BPDU的端口作为新的RP。
如STP选举流程中的图示，当S3的eth0端口down掉之后，S3会在eth2和eth3之间选举出新的RP，很明显eth2上市superior BPDU，eth2成为RP，经过listening和learning之后变成forwarding，并发送TCN报文。收敛时间是30秒。
间接感知
链路物理上是非直连的，比如中间链路中间有个hub。这种情况下只能等待BPDU报文超时触发。之后的处理流程和直接感知一致，需要加上额外的20秒BPDU报文超时时间。
STP拓扑变化带来的问题
L2依据Mac地址表进行转发，拓扑变换可能导致Mac地址表失效. 当stp收敛之后，虽然会重新学习到正确的mac地址，但是会耗费相当多的时间，特别是当某条mac地址不存在或超时时间恰好是最大值(默认300秒). 为此，当拓扑变化时，通过TCN BPDU通知根桥，根桥通过TCN ACK BPDU通知所有交换机，收到此报文的交换机将mac地址表超时改成forward_time，发送TCN BPDU的交换机收到ACK后会停止发送TCN.
缩短mac地址的老化时间会使拓扑不稳定，会存在泛洪流量，当大量拓扑发生改变时，这种情况是很危险的。RSTP中也有这个问题。
STP收敛的几个优化配置
思科设备上提供了几种优化配置来减少收敛时间, 降低不必要的mac地址表刷新。
portfast在edge port上开启，当端口状态发生变化时，不会发送TCN BPDU，避免刷新MAC地址表，端口可以直接从block状态变成forwarding状态，不需要等待30秒。开启命令如下
1 | Switch(config-if)#spanning-tree portfast edge // 在eth2上开启portfast |
如上图，在eth2上开启portfast后，eth2会直接变成forwarding状态，并且不会发送TCN报文。
uplinkfast当RP失效后，AP跳过listening和learning的30秒，直接变成RP的forwarding状态, 开启命令如下：
1 | Switch(config)#spanning-tree uplinkfast // 全局开启uplinkfast |
如上图，shutdown S3上的RP eth0, eth1会从AP直接变成RP的forwarding状态。
注意，配置uplinkfast后，交换机优先级会调整32768+4096(不会选成根桥)，端口cost会增加3000(不会选成DP)
backbonefastAP端口收到inferior BPDU后ignore，直到max_age超时后变成DP，耗时20秒，开启backbonefast后，不用等到超时，AP直接变成DP，开启命令如下：
1 | Switch(config)#spanning-tree backbonefast // 需要在所有交换机上开启才生效,原理上应该只需要在收到inferior BPDU的switch上开启就行，模拟器bug? |
如上图，S2的eth0 down掉后，认为自己是根桥向S3发送inferior BPDU，正常情况下S3忽略，直到eth1超时变成DP(20秒), 然后S3向S2转发superior BPDU，eth1再经过listening和learning的30秒时延后进入forwarding状态，完成收敛。开启backbonefast后，eth1不用等待20秒超时，直接变成DP，然后再经过30秒状态变化后进入forwarding，收敛时间由50秒变成30秒。
很多文档中有direct和indirect的区分，其实没啥必要，命令行中也没体现，直接分析错误场景，分析BPDU的比较即可。
几种安全机制
BPDU gard/filter如果端口使能BPDU gard，当端口收到BPDU时将端口down掉(error disable)。应该在所有的access端口使能，即只有交换机互联的端口跑STP。可以避免交换机attacks(攻击者伪装成根交换机监听流量)和incident(非 STP/RSTP 感知交换机插入网络导致环路)。
1 | Switch(config-if)#spanning-tree bpduguard enable // 端口下开启bpduguard，收到bpdu将端口errordisable |