一、STP 概念定义
STP（Spanning Tree Protocol）生成树协议，是一个用于局域网中消除环路的协议。
- STP 该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并对某些接口进行阻塞以消除环路。
- STP 在网络中运行后会持续监控网络的状态
- 当网络出现拓扑变更时，STP 能够感知并且进行自动响应，从而使得网络状态适应新的拓扑结构，保证网络可靠性。
- 在具有冗余链路的局域网（LAN）中，STP 可以防止出现数据链路层的环路，避免广播风暴、MAC 地址表混乱等问题，从而提高网络性能和稳定性。
二、STP 工作原理
- 选举根桥：网络中的各交换机通过比较桥 ID（由优先级和 MAC 地址组成）来确定根桥，具有最小桥 ID 的交换机成为根桥。
- 确定根端口：非根桥上的各个端口通过计算到根桥的路径开销来确定根端口，到根桥开销最小的端口被选为根端口。
- 选举指定端口：每个网段上选举一个指定端口，该端口是到根桥开销最小的端口。
- 阻塞非指定端口：除根端口和指定端口外的其他端口被阻塞，处于阻塞状态的端口不转发数据，从而防止环路形成，但它会监听网络状态。
三、STP 优点缺点
优点：
- 消除环路：有效解决冗余链路带来的环路问题，保障网络的正常运行。
- 简单可靠：原理相对简单，在各种网络环境中应用广泛且较为稳定。
缺点：
- 收敛速度慢：在网络拓扑发生变化时，需要一定时间来重新计算和调整，可能会导致较长时间的数据中断。
- 链路利用率不高：由于阻塞了部分端口，导致链路资源不能得到充分利用。
- 不适应动态网络：对于网络中的频繁变化可能适应性不足。
四、STP RSTP MSTP
- STP：最早的生成树协议，其主要目的是防止网络中出现环路，保证网络的稳定性。
- STP 的端口状态切换较慢，需要等待 2 倍的 Forward Delay 时间延迟，因此收敛速度较慢。
- STP 不能按 VLAN 阻塞冗余链路，所有 VLAN 的报文都沿着一棵生成树进行转发。
- RSTP：是 STP 的改进版本，它在保持 STP 基本原理的同时，引入了一些新的机制来加快网络的收敛速度。
- RSTP 将端口状态划分为三种：指定（designated）、根（root）和备份（alternate），相比 STP 的端口状态，减少了状态切换的次数，从而加快了收敛速度。\
- RSTP 通过减少 BPDU 的发送间隔和超时时间来加快收敛速度。当网络拓扑发生变化时，RSTP 可以更快地重新计算生成树。RSTP 还向后兼容 STP，可以在 STP 和 RSTP 混合的网络环境中工作。
- MSTP：将环路网络修剪成为一个无环的树形网络。
- 避免报文在环路网络中的增生和无限循环，同时还提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现 VLAN 数据的负载均衡。
- MSTP 兼容 STP 和 RSTP，并且可以弥补 STP 和 RSTP 的缺陷。它既可以快速收敛，也能使不同 VLAN 的流量沿各自的路径分发，从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。
五、STP 具体应用
- 局域网构建：在企业、校园等局域网环境中，通过 STP 确保冗余链路情况下网络的稳定，防止环路导致的广播风暴等问题。
- 网络扩展与改造：当网络需要增加新的设备或链路进行扩展或改造时，STP 可以保障新拓扑结构下的正常运行。
- 网络可靠性提升：对于对网络可靠性要求较高的场景，如数据中心等，STP 可以作为保障网络持续可用的重要机制之一。
- 多层交换网络：在多层交换网络中，STP 帮助实现不同层次间的无环连接和数据传输。
六、STP 问题解决
问题：
- 收敛速度慢：如前所述，在拓扑发生变化时可能导致较长时间的数据中断。
- 根桥不稳定：可能由于配置错误或网络环境变化导致根桥频繁切换。
- 端口状态异常：比如阻塞端口错误地变为转发状态，或者转发端口异常阻塞。
- BPDU 风暴：过多的 BPDU 报文在网络中传播，影响网络性能。
- 拓扑变更通告不及时：导致网络不能及时调整状态。
- 与其他协议兼容性问题：可能与某些特定的网络协议或功能存在冲突。
- 环路未完全消除：由于配置失误或其他原因导致仍存在隐藏的环路。
解决：
- 检查配置：确认各交换机的 STP 模式（如 STP、RSTP 等）是否一致。检查端口的 STP 参数设置，如优先级等。
- 查看端口状态：观察是否存在异常的端口状态，如长时间处于阻塞状态但不应阻塞的端口。
- 检查拓扑结构：确认网络实际拓扑与预期是否相符，是否存在冗余链路连接错误等情况。查看是否有新增设备或链路改变导致问题。
- 分析 BPDU 信息：借助工具查看交换机之间交互的 BPDU 内容，检查根桥选举等是否正常。
- 检查物理连接：确保链路物理连接正常，不存在松动、损坏等情况。
- 日志分析：查看交换机的系统日志，看是否有相关 STP 错误或告警信息。
- 对比正常网络：如果有类似正常运行的网络环境，可以进行对比分析，找出差异点。
