一文读懂 STP：交换机接口状态详解及工作原理
- 一. 引言：STP 是什么，为何如此重要？
- 二. STP 的核心作用：避免网络环路
- 2.1 什么是 STP？
- 2.2 STP 的核心概念
- 三. STP 交换机接口状态详解
- 四. STP 的工作原理：一步步构建安全网络
- 4.1 STP 运行流程
- 4.2. STP 实战案例：简单示例
- 6. STP 变种协议：更快更强的进化版
前言
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作者：神的孩子都在歌唱
一. 引言：STP 是什么，为何如此重要？
在网络世界中，交换机是网络的“交通枢纽”，但如果连接不当，很容易出现**“网络环路”**，导致广播风暴、数据包无限循环，最终让整个网络瘫痪。
这时候，生成树协议（STP，Spanning Tree Protocol）就像一个“交通警察”，负责检测和阻止环路，确保数据沿着最优路径流转，从而让网络安全、高效、稳定！
二. STP 的核心作用：避免网络环路
2.1 什么是 STP？
STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）由 IEEE 802.1D 标准 定义，它的主要作用是：
✅ 检测网络环路，避免数据包“无限循环”导致网络崩溃。
✅ 自动选择最优路径，提升数据传输效率。
✅ 支持冗余链路，当某条链路故障时，可以自动启用备用路径。
2.2 STP 的核心概念
交换机之间使用 网桥协议数据单元 （Bridge Protocol Data Unit, BPDU）来交换STP信息， BPDU 包含了实现 STP 必要的根网桥 ID，根路径成本， 发送网桥 ID， 端口ID 等信息。
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根桥（Root Bridge）：整个 STP 网络的核心设备，所有路径都相对它计算。
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根端口（Root Port）：每台交换机通向根桥的最优端口。
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指定端口（Designated Port）：在一条链路上被选为主干端口的接口，负责转发流量。
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阻塞端口（Blocked Port）：为了防止环路，该端口会被关闭，不转发流量。
三. STP 交换机接口状态详解
STP 通过不同的接口状态 来管理数据流动，它的端口状态可以分为以下几种：
| 接口状态 | 功能描述 | 数据转发能力 | BPDU 处理 | 持续时间 |
|---|---|---|---|---|
| Disabled（禁用） | 端口被管理员手动关闭 | ❌ 不转发 | ❌ 不处理 | 永久 |
| Blocking（阻塞） | 防止环路，端口不参与转发 | ❌ 不转发 | ✅ 监听 BPDU | 20 秒（默认） |
| Listening（监听） | 计算 STP 拓扑，准备选举角色 | ❌ 不转发 | ✅ 监听 BPDU | 15 秒（默认） |
| Learning（学习） | 学习 MAC 地址，但仍不转发数据 | ❌ 不转发 | ✅ 学习 MAC | 15 秒（默认） |
| Forwarding（转发） | 端口完全工作，转发数据流量 | ✅ 转发 | ✅ 继续学习 | 长期 |
👉 总结一下：
- Blocking 状态防止环路，不会转发数据。
- Listening 和 Learning 是过渡阶段，确保网络拓扑稳定。
- Forwarding 是最终目标，允许数据正常传输！
- 阻塞状态到侦听状态需要20秒，侦听状态到学习状态需要15秒，学习状态到转发状态需要15秒。
四. STP 的工作原理：一步步构建安全网络
4.1 STP 运行流程
1️⃣ 根桥选举：所有交换机通过 BPDU（Bridge Protocol Data Unit）报文投票，选出最低 Bridge ID 的交换机作为根桥。
2️⃣ 计算最优路径：每台交换机寻找到根桥的最短路径，确定根端口（Root Port）。
3️⃣ 指定端口选举：在每条链路上，选出最优路径的交换机端口作为指定端口（Designated Port）。
4️⃣ 阻塞非必要端口：为了防止环路，其余端口进入 Blocking 状态，不参与转发。
4.2. STP 实战案例：简单示例
假设我们有 3 台交换机 SW1、SW2、SW3 连接成一个环形结构：
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步骤 1：根桥选举
STP 通过比较 Bridge ID 选出 SW1 作为根桥（假设 SW1 的优先级最低）。其中BID由2字节的 网桥优先级字段 和6字节的 MAC地址字段 组成。
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步骤 2：确定 Root Port
SW2 和 SW3 选择到 SW1 的最短路径作为 Root Port。 每台交换机在选根端口时，会按照以下顺序进行比较：
1️⃣ 最小路径开销（Path Cost，链路开销）- STP 会计算从交换机到根桥的最小“开销”，这个开销取决于链路带宽（越快的链路，开销越小）。
- 带宽越大，开销越小，优先级越高！
- 例如：
- 10 Mbps = 100
- 100 Mbps = 19
- 1 Gbps = 4
- 10 Gbps = 2
2️⃣ 如果开销相同，比较发送 BPDU 的桥 ID（Bridge ID）
- BPDU（生成树协议数据单元）里包含 Bridge ID（由优先级 + MAC 地址组成）。
- 较低 Bridge ID 的交换机胜出。
3️⃣ 如果 Bridge ID 也相同，比较发送 BPDU 的端口 ID（Port ID）
- 端口 ID 低的端口胜出，Port ID = 端口优先级 + 端口号。
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步骤 3：选择 Designated Port
根桥 所有的端口都为 指定端口 。在 SW2 和 SW3 之间的链路，STP 选出一个端口作为 指定端口， 选择 指定端口依据如下：
1️⃣ 到根路径成本最低
2️⃣ 端口所在的网桥的ID值最小
3️⃣ 端口ID值较小
SW3 和 SW2 两端口到根桥的成本一致，选择BID较小的SW2交换机端口为指定端口
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步骤 4：阻塞端口防环路
由于 SW2 和 SW3 之间仍然有一条冗余路径，STP 会阻塞其中一个端口，避免环路发生。 也就是会阻塞SW3的端口
这样，网络依然可以正常运行，同时防止了数据环路！ 🎯
6. STP 变种协议：更快更强的进化版
STP 是网络中最基础的生成树协议，但它的收敛速度较慢，因此后续出现了更先进的版本：
| 协议 | 标准 | 特点 | 收敛速度 |
|---|---|---|---|
| STP | IEEE 802.1D | 基本生成树协议 | ⏳ 慢（30~50 秒） |
| RSTP | IEEE 802.1w | 快速生成树，收敛加快 | ⚡ 快（1~2 秒） |
| MSTP | IEEE 802.1s | 多生成树协议，可支持多个 VLAN | 🚀 适用于大规模网络 |
| PVST+ | Cisco 私有 | 每个 VLAN 生成独立生成树 | 🔥 Cisco 交换机优化 |
大家学完这个基础知识，大家可以去看看我写的一篇 生成树协议（STP）配置详解：避免网络环路的最佳实践 文章。
作者：神的孩子都在歌唱
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