冗余链路出现的背景
由于公司对网络的可靠性的要求，大部分公司都会增加额外的交换机，防止在某台交换机出现故障时造成网络的无法使用的情况，例如形成如下图的拓扑的结构。
假设 W 和 X 交换中的一台出现故障后，流量依然可以通过 Y 和 Z 到达 B。
虽然说这样的结构可以很好的解决，网络可靠性的问题。但由于这三台交换机构成了一个环路，同时也带了一些额外的问题：
广播风暴:
这里假设 W 不知道 B 的 MAC 地址，会采用泛洪的操作。而此时由于环状的结构，广播数据包会在四台交换机之间来回的传输，占用大量的带宽。
多帧拷贝：
假设 W 不知道 B 的 MAC 地址，此时会泛洪发给 Y 和 X，假设 Y 和 X 知道 B 的 MAC 地址，此时会将数据包以单播的形式发给 Z，而 Z 会将两个单播数据包传给 B. 造成传输冗余的数据帧。
MAC 表不稳定：
同样假设 W 不知道 B 的 MAC，采用泛洪。同时 X，Y，Z 也不知道 B 的 MAC。此时 W 广播后，X 和 Y 会在 MAC 表中记录 A 对应 MAC 在 1 号口，然后继续泛洪给 Z. Z 按照时间顺序假设在 MAC 表中记录的是来自 Y 的数据帧，此时记录的是 2 号口。而由于 Z 也不知道 B 的 MAC，还会广播。此时 Y 和 X 也会收到，此时 MAC 表按照时间顺序，又会改为另一个 2 号口，进而在 1 和 2 口之间来回抖动。
解决环路带来的问题
冷备份
在连接线缆时，仅仅连接一条线路。当这条链路出现问题时，由管理员手动切换至另一根线路。
热备份
线缆正常连接，在接口上进行配置，不允许该接口接受和发送任何设备。通过 STP （生成树）实现。
STP
STP 协议会先进行计算选择一个树根，然后将树根上的一个接口进行阻塞，进而无法构成环路。
STP 选举规则 - 802.1D
在所有设备启动时，所有交换机都认为自己是跟，然后广播发送 BPDU，然后在 BPDU 中的某些参数选择一个真正的树根。
- 在整个拓扑上，选择一台根交换机。
- 对每台非根交换机上，选择一个根端口（RP）。
- 在每条网线上（每个网络），选一个指定端口(DP)。
- 余下端口为 BP，被阻塞的端口。
BPDU 比较参数，按照如下的顺序进行比较:
- 根桥 ID（优先级，根的 MC 地址）
- COST（发送者桥 ID 到根桥的距离）
- 发送者桥 ID（优先级，桥 MAC 地址）
- 发送者端口 ID（接口号）
例子 1
以下拓扑为例，模拟下选择 BPDU 的过程，假设 MAC 地址大小为：SW1 < SW2 < SW2.
首先判断根桥 ID，如果没有配置过，默认都是一样的。接着会比较 MAC 地址，选出最小的 MAC 作为根桥, 也就是 SW1.
在选出根后，根会每 2s 发送一次 BPDU，然后非根交换机转发 BPDU。
比较 COST，SW1 作为根会向 SW2 和 SW3 转发 BPDU，而 SW2 和 SW3 同时也会转发收到的 BPDU 给对方。这里假设都是百兆链路。
这里以 SW2 为视角，会收到 SW1 发送的 BPDU 和 SW3 转发 SW3 的 BPDU. 对于 SW2 的 1 号接口来说 COST 为 0（发送者为 SW1，跟桥 ID 为 SW1），对于 2 号口来说，COST 为 19（发送者 SW3，根桥 ID 为 SW1）.
100 M -> COST = 19
10 M -> COST = 100
进而 0 小于 19，1 号口为成为 RP.
同理，在 SW3 的视角，收到 SW1 和 SW2 转发 SW1 的BPDU. 选择 2 号口为 RP.
下面接着选择 DP：
先站在 SW1 和 SW2 这条网段的视角，在该网段可以接收道 SW1 直接发送的 BPDU （记为 SW1 1 号口）和 经过 SW2 和 SW3 转发过来的 BPDU（记为 SW2 1号口）. 这里比较下两者的 BPDU.
- 首先比较根桥 ID，都是 SW1，一样，继续比较。
- 比较 COST，
- SW1 1 号口，根桥 ID 和 发送者 ID 都是 SW1，所以 COST 为 0
- SW2 1 号口，根桥 ID 为 SW1，发送者为 SW3, 经过 SW2. 所以 COST=19 +19=38
- 0 < 19 , SW1 1 号口为成为 DP.
站在 SW1 和 SW3 这段网络上，同理：
- 首先比较根桥 ID，都是 SW1，一样，继续比较。
- 比较 COST:
- SW1 2 号口，根桥 ID 和 发送者 ID 都是 SW1，所以 COST 为 0
- SW3 2 号口，根桥 ID 为 SW1，发送者为 SW2, 经过 SW3. 所以 COST=19 +19=38
- 0 < 19, SW3 2 号口为 DP.
最后站在 SW2 和 SW3 这条网段上：
- 首先比较根桥 ID，都是 SW1，一样，继续比较。
- 比较 COST：
- SW2 2 号口，发送者为 SW2 2 号口，根桥 ID 为 SW1 COST = 19
- SW3 1 号口，发送者为 SW3 1 号口，根桥 ID 为 SW1 COST = 19
- 相等继续比较。
- 比较发送者桥 ID 大小：
- SW2 的 MAC 小于 SW3 的 MAC
- 所以选 SW2 的 2 号口为 DP.
最终，余下接口 SW3 的 1 号口为阻塞接口。
总结一下概念：
RP：到根交换机最近的非根交换机接口
DP：在交换机中的连线上，到达根交换机最近的接口
例子2
首先假设 SW1 MAC 小于 SW2，所以跟为 SW1.
选择 RP：
以 SW2 的视角，比较过程如下：
- 根桥 ID 都是 SW1，一样，继续比较.
- 比较 COST，对于 3 和 4 两个口来说，发送者和根桥ID都一样，相等。
- 比较发送者 ID，都是 SW2 本身 一样。
- 比较发送者接口 ID，1 < 2. 所以 3 为 RP。
选择 DP：
以 1，3 连线的视角：
- 根桥 ID 一致。
- 比较 COST, 选择 1 号口。COST=0, 另一个为 19. s所以 1 为 RP.
以 2,4 连线的视角：
- 根桥 ID 一致。
- 比较 COST, 同理选择 2 号口，为 RP.
最后 4 号口为 BLOCK。
这里假设 1,3 口为 10M，2,4 为百兆链路。可以发现如果按照上述的规则，4 号口还是一样会被阻塞。但这不符合常理，因为 2,4 口的带宽明显更大。
所以这里的 COST 比较还需要调整，对于选择 DP 不需要改变。
但对于选择 RP 的过程，COST 的值需要加上入接口的 COST。
也就是说，在 1,3 连线时。COST 的比较值为：1 号口的 COST 为 0 + 100. 2 号口的 COST 为 0 +19. 所以选择为 4 号口。
STP 类型
上面选举的过程是比较基础的 STP 版本，802.1D. 对应在处理 VLAN 有一定的缺点，就是由于在拓扑中只有一颗树，在设置了 VLAN 的交换机上通信，有时 VLAN 通信的过程并不是选择的最优路径。
后来，又开发了出许多新的版本：
- PVST+: 针对 VLAN，每个 VLAN 一个 STP.
- 802.1s(MSTP)：多实例生成树，优化生成树的数量。
- 802.1w(RSTP)：STP 计算速度更快，收敛速度很快
- Rapid PVST+：优化了 PVST+ 的生成树速度
STP 状态
在交换机接口打开时，进入到 Listening 状态，进行 STP 的计算。在选举时，无法转发数据。
当 Listening 状态结束后，进入 Learning 状态，学习 MAC 地址，建立 MAC 地址表。
之后进入 Forwarding 状态，正常转发数据。
如果是被 STP 阻塞的端口进入 Blocking 状态，不能转发数据，但可以接受 BPDU. 当在 20s 内没有收到 BPDU 时，会进入 Forwarding 状态，开始转发数据。
查看 STP 信息
如果是思科的交换机话，默认会选择 PVST+ 作为默认的 STP 协议。
其中优先级是将 VLAN 号和优先级组成（4bit vlan 号，16 bit 优先级）。
# 查看 sw1
sw1#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
# 表示根信息
Root ID Priority 32769 # vlan is 1, so priority equal 32768 add 1
Address aabb.cc00.1000 # mac
This bridge is the root # to represent root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
# 表示自己的信息
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.1000
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0 Desg（指定端口，DP） FWD 100 128.1 P2p
Et0/1 Desg（指定端口，DP） FWD 100 128.2 P2p
Et0/2 Desg FWD 100 128.3 P2p
Et0/3 Desg FWD 100 128.4 P2p
# 查看 sw2
sw2#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.1000
Cost 100
Port 1 (Ethernet0/0)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.2000
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0 Root FWD 100 128.1 P2p
Et0/1 Desg FWD 100 128.2 P2p
Et0/2 Desg FWD 100 128.3 P2p
Et0/3 Desg FWD 100 128.4 P2p
# 查看 sw3
sw3#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.1000
Cost 100
Port 2 (Ethernet0/1)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.3000
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et0/0 Altn（阻塞端口） BLK 100 128.1 P2p
Et0/1 Root FWD 100 128.2 P2p
Et0/2 Desg FWD 100 128.3 P2p
Et0/3 Desg FWD 100 128.4 P2p
# 调整根-让 SW2 成为根-调整优先级
sw2(config)#spanning-tree vlan 1 root primary
# 调整次根-让 sw3 成为次根
sw3(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary
总结
当对网络的可靠性有要求时，一帮会采用连接多台交换机，用于冗余备份，但由于出现环路的风险，需要通过 STP 技术在逻辑上将某些接口阻塞掉，防止形成环路。