STP（Spanning Tree Protocol）是生成樹協議的英文縮寫。該協議可應用於在網絡中建立樹形拓撲，消除網絡中的二層環路，並且可以通過一定的方法實現路徑冗餘（不是一定可以實現路徑冗餘），實現冗餘備份；同時避免因環路的存在而造成廣播風暴的問題。
明白了STP大致是幹什麼的之後，現在來了解一下他的過程：
運行STP協議的交換機的端口總共有四種狀態：
⑴阻塞BLK（20s）
⑵監聽LIS（15s）
⑶學習LRN（15s）
⑷轉發FWD
交換機通電後，該網絡內的交換機即爲阻塞狀態，此階段各交換機向外發送自己的BPDU（網橋協議數據單元Bridge Protocol Data Unit），並接收所收到的BPDU。通過分析BPDU數據來選舉根橋交換機。
根橋交換機的選舉原則：BID（bridge id）
BID中包含網橋優先級和橋MAC
選舉時首先比較bridge priority（橋優先級），bridge priority 越小越優，默認爲32768，優先級必須爲4096的倍數。
如上圖所示，優先級的數值爲32768+vlan名（如：vlan 1，優先級即爲32768+1）。
若設備的優先級相同，則比較橋MAC地址。橋MAC地址同橋優先級一樣，越小越優。
根橋交換機選舉完成後，各端口即進入監聽狀態。此階段與阻塞狀態的過程有些類似，但目的不同。此階段各交換機的各個端口向外發送自己的BPDU，同時接收其他交換機的BPDU。通過分析BPDU的數據來選舉根端口RP和指定端口DP。
- 選舉根端口(RP)
在每個非根橋交換機上選舉一個根端口。
選舉規則爲：
⑴到根網橋最低的路徑開銷
⑵發送BPDU的網橋ID較小
⑶端口ID較小的
路徑開銷cost值如下圖所示：
端口ID由端口優先級與端口編號組成。默認的端口優先級爲128。端口優先級根據對端交換機的端口優先級計算，越小越優。
當端口優先級相同時，則比較端口號（port-number），端口號越小越優，同樣與對端交換機的端口進行比較。
- 選舉指定端口(DR)
每個網段上選舉一個指定端口。
選擇順序爲：
⑴根路徑成本較低
⑵發送BPDU的交換機的網橋ID值較小
⑶本端口的ID值較小。
另外，根網橋的接口皆爲指定端口，因爲根網橋上端口的根路徑成本爲0。
小結：生成樹協議運行生成樹算法(STA)。生成樹算法很複雜，但是其過程可以歸納爲以下3步：
（1）選舉根網橋
（2）選舉根端口
（3）選舉指定端口
通過實驗進行驗證，實驗拓撲圖如下所示：
基本配置：
SW-1
SW-1(config)#vlan 10
SW-1(config-vlan)#vlan 20
SW-1(config-vlan)#exit
SW-1(config)#interface range g0/0-1
SW-1(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW-1(config-if-range)#switchport mode trunk
SW-1(config-if-range)#exit
SW-1(config)#spanning-tree vlan 10 priority 4096
SW-1(config)#spanning-tree vlan 20 priority 0
//修改模式爲pvst
SW-1(config)#spanning-tree mode pvst
SW-2
SW-2(config)#vlan 10
SW-2(config-vlan)#vlan 20
SW-2(config-vlan)#exit
SW-2(config)#interface range g0/0-1
SW-2(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW-2(config-if-range)#switchport mode trunk
SW-2(config-if-range)#exit
SW-2(config)#spanning-tree vlan 10 priority 0
SW-2(config)#spanning-tree vlan 20 priority 4096
//修改模式爲pvst
SW-2(config)#spanning-tree mode pvst
SW-3
SW-3(config)#vlan 10
SW-3(config-vlan)#vlan 20
SW-3(config-vlan)#exit
SW-3(config)#interface range g0/0-1
SW-3(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW-3(config-if-range)#switchport mode trunk
SW-3(config-if-range)#exit
SW-3(config)#interface g0/2
SW-3(config-if)#switchport mode access
SW-3(config-if)#switchport access vlan 10
SW-3(config-if)#exit
SW-3(config)#interface g0/3
SW-3(config-if)#switchport mode access
SW-3(config-if)#switchport access vlan 20
SW-3(config-if)#exit
//修改模式爲pvst
SW-3(config)#spanning-tree mode pvst
驗證思路：基本配置完成後，以vlan 10爲例，我們先關閉SW-3上對應vlan 10的interface G0/2端口，然後再打開。由前面的理論我們知道，STP的收斂速度是很慢的。因此我們可以在no shutdown G0/2接口後不斷的輸入show spanning-tree命令來查看接口的狀態信息，以此來摸清運行 STP協議 的網絡的狀態變化過程。
先關閉，後打開G0/0接口後的狀態變化過程(白色部分爲時間)：
- 阻塞→監聽
- 監聽→學習（15s）
![在這裏插入圖片描述]()
- 學習→轉發（15s）
![在這裏插入圖片描述]()
通過觀察上面幾個過程及計算時間，我們不難得知，監聽→學習需15s， 學習→轉發需15s。
協議缺點：
1、拓撲收斂慢，當網絡拓撲發生改變的時候，生成樹協議需要50-52秒的時間才能完成拓撲收斂。
2、不能提供負載均衡的功能。當網絡中出現環路的時候，生成樹協議簡單的將環路進行Block，這樣該鏈路就不能進行數據包的轉發，浪費網絡資源。
STP高級特性
通過上面的實驗，我們可得知STP的收斂速度是很慢的，需50s才能收斂完成。這種情況是一些實時以及對帶寬敏感的網絡應用是不能接受的。針對這一情況，Cisco公司提出了三種新的端口特性來予以解決。
1.portfast：連接終端設備的端口（邊緣端口edge），當RP失效，馬上啓動阻斷端口保持通信。這樣收斂時間很快，不用重新進行STP運算，可從監聽狀態直接變爲轉發狀態，從而節約30s的時間。
2.uplinkfast：針對直連鏈路的故障解決。當直連鏈路發生故障時，設備要重新選舉端口。此時開啓了uplinkfast特性的接口可直接從監聽狀態變爲轉發狀態，從而節省30s的收斂時間。
3.backbonefast：若使用此端口特性，則需要在該網絡的每一臺交換機上開啓。通過backbonefast的特性，讓其他和根橋斷掉的交換機主動發送查詢消息，查詢是否還有到達根橋的備份路徑。 若沒有備份路徑，則該端口稱爲新的根端口。若有，則該端口變爲指定端口。
BackboneFast是對UplinkFast的一種補充：UplinkFast能夠檢測直連鏈路的失效，BackboneFast是用來檢測間接鏈路的失效。當啓用了BackboneFast的交換機檢測到間接鏈路失效之後，會馬上使阻塞的端口進入監聽狀態，少了20S的老化時間。
實驗驗證：
同樣是上文的拓撲和配置，我們只需多輸入幾條命令即可實現。
portfast：SW-3
SW-3(config)#interface g0/2
SW-3(config-if)#spanning-tree portfast edge default
//輸入上面一條命令時，會彈出警告
%Warning: portfast should only be enabled on ports connected to a single
host. Connecting hubs, concentrators, switches, bridges, etc... to this
interface when portfast is enabled, can cause temporary bridging loops.
Use with CAUTION
%Portfast has been configured on GigabitEthernet0/2 but will only
have effect when the interface is in a non-trunking mode.
//現在將端口關閉再打開，查看狀態變化
SW-3(config-if)#shutdown
SW-3(config-if)#no shutdown 
我們可以看到，該端口直接變爲了轉發狀態，節省了監聽和學習共30s的時間。
當然我們也可以在全局模式下開啓portfast特性（使用需謹慎）：
uplinkfast：SW-3（非根橋上開啓）
SW-3(config)#spanning-tree uplinkfast
SW-3(config)#interface g0/0
SW-3(config-if)#shutdown
SW-3(config-if)#no shutdown
關閉接口後會直接彈出這條提示，查看spanning-tree：
可以看出，端口關閉後新的根端口立刻選舉了出來並變爲轉發狀態，節省了從監聽到轉發狀態所需的30s時間。
backbonefast：假定某一端口出現故障
SW-1
SW-1(config)#spanning-tree backbonefast
SW-2
SW-2(config)#spanning-tree backbonefast
SW-2(config)#interface g0/0
SW-2(config-if)#shutdown
SW-3
SW-3(config)#spanning-tree backbonefast
SW-2的G0/0口出現故障後，SW -3上可看見如下提示：
可發現SW-3上直接變爲監聽狀態，省去了BPDU老化的20s時間。
補充：root guard根防護功能
Root Guard：防止新加入的交換機(有更低根網橋ID)影響一個已經穩定了（已經存在根網橋）的交換網絡,阻止未經授權的交換機成爲根網橋。
工作原理：當一個端口啓動了此特性，當它收到了一個比根網橋優先值更優的BPDU包，則它會立即阻塞該端口，使之不能形成環路等情況。這個端口特性是動態的，當沒有收到更優的包時，則此端口又會自動變成轉發狀態。當收到更優的包時，該端口將變爲根不連續的阻塞狀態。
配置根防護的命令
//接口下配置
SW(config-if)#spanning-tree guard root
當收到更優數據包時，查看對應vlan的信息，可發現該端口的狀態變爲根不連續的阻塞狀態。
相關查看配置的命令
SW#show spanning-tree inconsistentportsroot guard作用位置：
1.交換機上未使用的端口
2.接入的端口
BPDU guard
前面提到了portfast特性是適用與連接終端設備的端口特性。但是不能排除配置時人爲造成的錯誤配置。若兩臺交換機之間的鏈路開啓了portfast特性，這兩個端口將跳過偵聽和學習階段，不參與STP的計算而直接進入轉發狀態，從而造成存在環路的風險。爲了避免出現這種情況，我們引入了BPDU guard的概念：BPDUGuard使具備PortFast特性的端口在接收到BPDU時進入err-disable狀態來避免橋接環路，其可在全局或接口下進行配置（默認關閉）。
爲消除因portfast造成的環路，主要有兩種方法：
1.開啓BPDU guard特性
2.將問題接口的portfast特性移除
現在我們做個實驗來做一些驗證。
//全局下開啓portfast特性
SW-2(config)#spanning-tree portfast edge default
現在SW-2的狀態如下所示
現在我們在SW-2上開啓BUDP guard特性
//全局下開啓BUDP guard
SW-2(config)#spanning-tree portfast edge bpduguard default
//接口下開啓BUDP guard
SW-2(config-if)#spanning-tree bpduguard enable
//開啓因觸發BPDU guard懲罰而關閉的端口自動恢復
SW-2(config)#errdisable recovery cause bpduguard
//修改自動恢復的時間
SW-2(config)#errdisable recovery interval 30現在我們打開SW-1的e0/0端口，SW-2會彈出如下日誌：
查看SW-2的所有端口狀態可發現，e0/0端口確實已經關閉：
當SW-2的e0/0端口接收到BPDU報文時，端口將關閉；未接收到BPDU 報文時，端口將自動恢復。默認恢復時間爲300s。
此外，另一種解決辦法：移除問題端口的portfast特性
//全局下開啓針對portfast特性的bpdufilter
SW-2(config)#spanning-tree portfast edge bpdufilter default
//接口下開啓bpdufilter
SW-2(config)#spanning-tree bpdufilter enable全局下開啓時，當某個交換機的edge端口收到了BPDU，將端口的portfast特性移除，使其迴歸到原始的生成樹狀態，參與STP的計算。
接口下開啓bpdufilter後，該端口將不再發送BPDU報文，也不會再接收BPDU報文。
重複上文實驗，查看端口狀態可以驗證此特性。