STP状态和计时器

运行STP协议的设备上端口状态有5种：

Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文， 只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。

Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。 增加Learning状态是为了防止临时环路。

Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文， 但不能转发用户流量。

Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU， 不能转发BPDU， 也不能转发用户流量。 此状态是预备端口的最终状态。

Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文， 也不转发用户流量。

端口状态转换如下：

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1、端口初始化或者使能

2、端口被选为根端口或者指定端口

3、端口不在是根端口或者指定端口

4、forward delay计时器超时

5、端口禁用或者链路失效

STP协议中包含一些重要的时间参数：

Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔， 用于检测链路是否存在故障。 交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文， 以确认链路是否存在故障。 当网络拓扑稳定后， 该值只有在根桥上修改才有效。

Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的， 则Message Age为0。 实际实现中， 配置BPDU报文每经过一个交换机， Message Age增加1。

Max Age是指BPDU报文的老化时间， 可在根桥上通过命令人为改动这个值。 MaxAge通过配置BPDU报文的传递， 可以保证Max Age在整网中一致。 非根桥设备收到配置BPDU报文后， 会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age， 则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。 如果Message Age大于MaxAge， 则该配置BPDU报文将被老化掉。 该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU， 并认为是网络直径过大， 导致了根桥连接失败。

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ST拓扑变化情况：

本节内容主要是来讲解生成树是如何收敛，然后完成故障切换的

1、根桥故障。非根网桥会在BPDU老化时间超时后开始根桥的重新选举

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在稳定的STP拓扑里， 非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。 如果根桥发生了故障， 停止发送BPDU报文， 下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。 如果下游交换机一直收不到BPDU报文， Max Age定时器就会超时（ Max Age的默认值为20秒） ， 从而导致已经收到的BPDU报文失效， 此时， 非根交换机会互相发送配置BPDU报文， 重新选举新的根桥。 根桥故障会导致50秒左右的恢复时间， 恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

2、直连链路故障。SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口，新的根端口会在30秒后恢复到转发状态

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SWA和SWB使用了两条链路互连， 其中一条是主用链路， 另外一条是备份链路。 生成树正常收敛之后， 如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障， 则其Alternate端口会迁移到Listening、 Learning、Forwarding状态， 经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态。

3、非直连链路出现故障。SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒

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SWB与SWA之间的链路发生了某种故障（非物理层故障） ，SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。 等待Max Age定时器超时后， SWB会认为根桥SWA不再有效， 并认为自己是根桥， 于是开始发送自己的BPDU报文给SWC， 通知SWC自己作为新的根桥。在此期间，由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。 其MaxAge定时器超时后， SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。 所以， Max Age定时器超时后，SWB、 SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。 经过STP重新计算后，SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。 非直连链路故障后， 由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间， 端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。

4、拓扑改变会导致MAC地址表产生错误。

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MAC地址表的默认老化时间是300秒，在这段时间内，SWB无法将数据从G0/0/2端口转发给主机B。那么如何来解决这个问题呢？

拓扑变化过程中， 根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。 根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：

  1. SWC感知到网络拓扑发生变化后， 会不间断地向SWB发送TCNBPDU报文。
  2. SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后， 会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1， 然后发送给SWC， 告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
  3. SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
  4. SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送， 通知下游设备把MAC地址表项老化时间由默认的300秒修改为ForwardDelay的时间（默认为15秒） 。
  5. 最多等待15秒之后， SWB中的错误MAC地址表项会被自动清除。 此后， SWB就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。