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生成樹(shù)所產(chǎn)生的背景

在局域網(wǎng)組網(wǎng)中，有單星型拓?fù)?，單星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)在于組網(wǎng)比較簡(jiǎn)單,組網(wǎng)成本比較少，但是缺點(diǎn)在于不管是中間的核心設(shè)備或者某條鏈路出現(xiàn)故障，都可能會(huì)導(dǎo)致于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中斷，網(wǎng)絡(luò)變得不可用，所以為了解決這種問(wèn)題，提出了雙星型子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，雙星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于不管是哪一個(gè)核心設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，只要沒(méi)有同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，其中的一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題或者說(shuō)某個(gè)交換機(jī)的上行鏈路出現(xiàn)故障，那么在這種情況下，雙星型拓?fù)涠伎梢酝ㄟ^(guò)另外的核心交換和另外的鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)
但是雙星型互連回因?yàn)橥負(fù)涞幕ミB而形成物理環(huán)路，在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路會(huì)造成什么樣的影響？？？

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以太網(wǎng)環(huán)路的危害

廣播風(fēng)暴

什么叫做廣播風(fēng)暴？？
如圖所示：pc1發(fā)送一個(gè)廣播給sw1，交換機(jī)收到廣播報(bào)文的處理方式是除了接收端口外從其他所有接口洪泛出去，所以sw1收到之后會(huì)將廣播報(bào)文發(fā)送給sw2和sw3，但是其他的交換機(jī)收到之后同樣也會(huì)洪泛出去，所以會(huì)導(dǎo)致于這個(gè)廣播報(bào)文在這個(gè)三角的網(wǎng)絡(luò)里面不停的進(jìn)行循環(huán)，廣播報(bào)文不像IP報(bào)文，沒(méi)有TTL機(jī)制，所以這個(gè)廣播報(bào)文會(huì)不停循環(huán)，直到我們的網(wǎng)絡(luò)變得不可用，同理，在倆個(gè)交換機(jī)雙鏈路中也會(huì)如此
廣播報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)休止的循環(huán)
并成指數(shù)增長(zhǎng)，造成網(wǎng)絡(luò)中資源耗盡（鏈路帶寬，設(shè)備的處理能力），最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用

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多重幀復(fù)制

多重幀：同一個(gè)數(shù)據(jù)幀可能會(huì)收到多份
例：pc1想發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀給pc2，sw1收到之后查mac地址表，沒(méi)有pc2的目標(biāo)mac，那么根據(jù)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)原理，會(huì)將這個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送給sw2和sw3，sw3收到之后，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給pc2，但是同樣sw2收到之后，也會(huì)講數(shù)據(jù)包發(fā)給sw3，sw3收到數(shù)據(jù)包會(huì)再一次發(fā)送給pc2，這個(gè)時(shí)候pc1發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給pc2，但是pc2會(huì)收到倆個(gè)數(shù)據(jù)幀，這就叫做多重幀的復(fù)制
網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路有可能會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)數(shù)據(jù)幀會(huì)重復(fù)收到

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MAC地址漂移

同一個(gè)設(shè)備的mac地址同一個(gè)條目在mac地址表中不停的移動(dòng)，就是可能一會(huì)在這個(gè)接口學(xué)到的一會(huì)在那個(gè)接口學(xué)到的，這種情況同樣的也會(huì)浪費(fèi)cpu的處理資源，如果數(shù)量非常多數(shù)目非常大的話也會(huì)耗盡cpu的處理能力，導(dǎo)致交換機(jī)不可用
例：如圖，swa與swb形成了以太網(wǎng)環(huán)路，pca發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)給swa，swa從0/2接口學(xué)到的之后通過(guò)交換機(jī)的學(xué)習(xí)功能會(huì)在交換機(jī)的mac表中構(gòu)成條目，目標(biāo)是88-10，端口是F0/2，swa假設(shè)沒(méi)有目標(biāo)pc的mac，會(huì)按照交換機(jī)的未知數(shù)據(jù)幀的處理進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，比如數(shù)據(jù)從F0/3接口發(fā)送出去，同理，swb收到之后也會(huì)從F0/6接口發(fā)送出去，對(duì)于swa來(lái)說(shuō)這個(gè)數(shù)據(jù)幀又從F0/4接口學(xué)到了，依據(jù)交換機(jī)的學(xué)習(xí)功能會(huì)把以前的條目刪除，重新構(gòu)建條目88-10，從F0/4接口學(xué)習(xí)，所以這是一個(gè)條目在mac地址表里面從不同的接口學(xué)到，如果網(wǎng)絡(luò)中有很多個(gè)pc在發(fā)送這種數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致大量mac地址條目端口在不同的映射不同的變化極大的消耗cpu的處理資源，同樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用

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生成樹(shù)的意義

如果是單星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就不會(huì)存在這些危害，但是會(huì)造成單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不可用，而如果使用雙星型的，又會(huì)造成以太網(wǎng)環(huán)路，這個(gè)時(shí)候用生成樹(shù)這個(gè)思想可以很好的解決這種情況
在網(wǎng)絡(luò)中可以通過(guò)運(yùn)行生成樹(shù)算法來(lái)計(jì)算出一個(gè)或者多個(gè)端口成為阻塞端口，也就是說(shuō)，這個(gè)端口邏輯上是阻塞的，就相當(dāng)于交換機(jī)之間的鏈路是拔掉的，數(shù)據(jù)是不允許從這個(gè)接口來(lái)發(fā)送的，所以從邏輯上看，網(wǎng)絡(luò)形成的是單鏈路的網(wǎng)絡(luò)，打破了以太網(wǎng)環(huán)路，不會(huì)出現(xiàn)三種環(huán)路危害，優(yōu)勢(shì)在于如果某一條鏈路故障，原本阻塞的端口會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行恢復(fù)，那么數(shù)據(jù)會(huì)依賴于新恢復(fù)的端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)從而保證數(shù)據(jù)不間斷的進(jìn)行處理
通過(guò)阻斷冗余鏈路來(lái)消除網(wǎng)絡(luò)中存在的環(huán)路
發(fā)生故障時(shí)激活冗余備份鏈路恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性

生成樹(shù)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

生成樹(shù)就是一種樹(shù)狀算法，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行這種算法，選擇各種端口的角色，比如根端口，指定端口，最終選擇出哪些端口是阻塞端口，邏輯上進(jìn)行阻塞，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單鏈路的傳送避免以太網(wǎng)環(huán)路，
各種端口角色的選取，是交換機(jī)之間需要進(jìn)行一個(gè)交互，進(jìn)行一個(gè)比較，如何通過(guò)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行比較，如何來(lái)知道對(duì)方的參數(shù)，知道對(duì)方的相關(guān)的信息？交換機(jī)之間數(shù)據(jù)的交互就是通過(guò)BPDU（網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）來(lái)完成的?。。?/p>

STP樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算

通過(guò)在交換機(jī)之間傳遞一種特殊的協(xié)議消息來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)議消息中包含了足夠的的信息來(lái)保證交換機(jī)完成生成樹(shù)計(jì)算
生成樹(shù)算法:
1、選擇根網(wǎng)橋
2、選擇根端口
3、選擇指定端口

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BPDU（網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）

通過(guò)在交換機(jī)之間傳遞BPDU，來(lái)保證設(shè)備完成生成樹(shù)的計(jì)算過(guò)程，目標(biāo)MAC地址為：01:80：c2:00:00:00
所有生成樹(shù)的計(jì)算，生成樹(shù)拓?fù)涞木S護(hù)，都是通過(guò)交互BPDU，通過(guò)這種報(bào)文，可以知道網(wǎng)絡(luò)里面相關(guān)的參數(shù)對(duì)方交換機(jī)相關(guān)的參數(shù)這個(gè)報(bào)文是一個(gè)組播報(bào)文

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BPDU的倆種類型

配置BPDU：
1、在網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)用于生成樹(shù)計(jì)算
2、在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)用來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br> 在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定之后，只有根網(wǎng)橋才發(fā)送的，所以在網(wǎng)絡(luò)中生成樹(shù)的計(jì)算就是通過(guò)配置BPDU來(lái)完成的，
TCN（拓?fù)渥兏ㄖ〣PDU
1、只在拓?fù)浒l(fā)生變化的時(shí)候發(fā)出，用來(lái)通知相關(guān)的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浒l(fā)生變化例如鏈路故障時(shí)發(fā)送TCN的BPDU來(lái)告知網(wǎng)絡(luò)中其他的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)了故障

BPDU數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

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STP基本概念

網(wǎng)橋ID

網(wǎng)橋ID：用于標(biāo)識(shí)運(yùn)行STP的交換機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)中唯一，由網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)與交換機(jī)MAC地址組成
網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)長(zhǎng)2字節(jié)，默認(rèn)值32768，只能按4096的倍數(shù)修改
網(wǎng)橋ID越小越優(yōu)先
網(wǎng)橋?qū)嶋H上就是指的交換機(jī)，在交換機(jī)基于軟件轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候稱之為網(wǎng)橋，后續(xù)在交換機(jī)基于芯片轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候，才叫做交換機(jī)，在生成樹(shù)原理中，仍然延續(xù)了這種稱呼，叫網(wǎng)橋，網(wǎng)橋ID也就是交換機(jī)ID
整個(gè)網(wǎng)橋ID是由倆部分組成，網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)和MAC地址，mac地址指的就是交換機(jī)背板的mac，有限優(yōu)先級(jí)是倆個(gè)字節(jié)的，是人工或者自動(dòng)選擇的這個(gè)網(wǎng)橋這個(gè)交換機(jī)的優(yōu)先程度，網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)為2字節(jié)，倆字節(jié)也就是16位，所以取值范圍為2^16=65535，優(yōu)先級(jí)默認(rèn)為32768在思科的設(shè)備中，能使用的個(gè)數(shù)只有16個(gè)，因?yàn)橹荒馨凑?096的倍數(shù)來(lái)計(jì)算，最小優(yōu)先級(jí)為0，第二個(gè)能配置就是4096，根網(wǎng)橋的選舉根據(jù)網(wǎng)橋ID，ID越小越優(yōu)先，首先比較網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)，如果網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)一樣才比較mac地址，哪一個(gè)mac地址小，網(wǎng)橋ID就越優(yōu)先， mac地址在局域網(wǎng)中是唯一的，所以也能代表整個(gè)網(wǎng)橋ID是唯一的

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根網(wǎng)橋

在一個(gè)局域網(wǎng)中，網(wǎng)橋ID最小的交換機(jī)稱之為根網(wǎng)橋，網(wǎng)橋ID次小的就是備份根網(wǎng)橋
例：如圖所示，有5臺(tái)交換機(jī)，在這個(gè)五臺(tái)交換機(jī)中就要比較哪一個(gè)網(wǎng)橋ID最小，經(jīng)過(guò)比較sw1的優(yōu)先級(jí)最小為0，次小的為sw2，優(yōu)先級(jí)為4096，所以sw1位根網(wǎng)橋，sw2位備份根網(wǎng)橋，在網(wǎng)絡(luò)中，只能有一個(gè)設(shè)備作為根網(wǎng)橋根網(wǎng)橋?yàn)楹罄m(xù)其他端口的一個(gè)參照點(diǎn)

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端口ID

運(yùn)行STP的交換機(jī)的每一個(gè)接口都具有一個(gè)端口ID
由端口優(yōu)先級(jí)和接口編號(hào)組成，比較時(shí)越小越優(yōu)
端口優(yōu)先級(jí)，缺省值為128，取值范圍0-240，只能按16倍數(shù)修改
端口id就是端口的一種標(biāo)識(shí)，它指的是用這個(gè)參數(shù)知道BPDU是由交換機(jī)的哪一個(gè)端口發(fā)送過(guò)來(lái)的，端口id有倆部分組成，端口編號(hào)和端口優(yōu)先級(jí)，端口編號(hào)為8位，256個(gè)端口，端口優(yōu)先級(jí)也是8位，理論來(lái)說(shuō)，端口優(yōu)先級(jí)范圍為256，但是在計(jì)算中有4位被占用，所以端口優(yōu)先級(jí)的范圍是0-240

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跟路徑開(kāi)銷

到達(dá)根網(wǎng)橋的路徑開(kāi)銷的總和
路徑開(kāi)銷是指單條鏈路的STP開(kāi)銷值，由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指定，可以在交換機(jī)接口手工修改
到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的根網(wǎng)橋所經(jīng)過(guò)的所有鏈路的開(kāi)銷之和，路徑開(kāi)銷就是去往不同帶寬的鏈路的成本是不一樣的

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生成樹(shù)根網(wǎng)橋和根端口的選取

STP端口角色

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STP的算法詳解-選擇根網(wǎng)橋

步驟一：選舉根網(wǎng)橋
1、判定對(duì)象
在所有運(yùn)行STP協(xié)議的交換機(jī)上選舉一個(gè)唯一的根網(wǎng)橋
2、判定條件
BPDU數(shù)據(jù)幀中網(wǎng)橋ID值最小的交換機(jī)將成為根網(wǎng)橋

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STP使用BPDU選擇根網(wǎng)橋

交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)，假設(shè)自己是根網(wǎng)橋
想外發(fā)送的BPDU中，根網(wǎng)橋ID字段填寫自己的網(wǎng)橋ID

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接收其他交換機(jī)發(fā)出的BPDU
比較網(wǎng)橋ID，選擇較小的添加到根網(wǎng)橋ID中

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STP的算法詳解-選擇根端口

步驟一：選舉根網(wǎng)橋
1、判定對(duì)象
在所有非根交換機(jī)上的不同端口之間選舉出一個(gè)到根網(wǎng)橋最近的端口作為跟端口
2、判定條件
1、端口到根網(wǎng)橋路徑開(kāi)銷最小
2、當(dāng)路徑開(kāi)銷相同時(shí)，選擇發(fā)送方網(wǎng)橋ID最小
3、當(dāng)發(fā)送方網(wǎng)橋ID相同時(shí)，發(fā)送方端口ID最小

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STP使用BPDU計(jì)算路徑開(kāi)銷

根網(wǎng)橋發(fā)送路徑成本為0的BPDU
當(dāng)BPDU進(jìn)入接口后增加Cost值
非根交換機(jī)比較不同接口的開(kāi)銷選擇出一個(gè)根端口

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根端口是在非根交換機(jī)上，每一個(gè)非根交換機(jī)上只有一個(gè)跟端口

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STP的算法詳解-選擇指定端口

步驟三：選舉指定端口
1、判定對(duì)象
在每一個(gè)物理網(wǎng)段的不同端口之間選舉出一個(gè)指定端口
2、判定條件
1、端口到根網(wǎng)橋路徑開(kāi)銷最小
2、當(dāng)路徑開(kāi)銷相同時(shí)，選擇發(fā)送方網(wǎng)橋ID最小
3、當(dāng)發(fā)送方網(wǎng)橋ID相同時(shí)，發(fā)送方端口ID最小

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生成樹(shù)端口狀態(tài)遷移

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在端口選出來(lái)之后，不能立即進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程，必須要經(jīng)歷端口狀態(tài)，確定網(wǎng)絡(luò)收斂完畢，才允許進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，只有轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)才能發(fā)送數(shù)據(jù)

STP端口狀態(tài)遷移

指定端口、根端口
只有指定端口和根端口才有端口狀態(tài)遷移
1、如果端口是禁止的，打開(kāi)端口，端口就變成阻塞狀態(tài)，在阻塞端口20秒之后進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)既可以發(fā)送BPDU又可以接收BPDU，但是不允許學(xué)習(xí)mac地址，不允許裝發(fā)數(shù)據(jù)，在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)經(jīng)歷15秒，會(huì)進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)狀態(tài)比監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)多了一個(gè)功能，學(xué)習(xí)mac地址，在學(xué)習(xí)狀態(tài)15秒之后，最終才過(guò)度到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)
2、所以生成樹(shù)的端口狀態(tài)從打開(kāi)到轉(zhuǎn)發(fā)最終經(jīng)歷50秒的時(shí)間，在偵聽(tīng)和學(xué)習(xí)這15秒也叫做轉(zhuǎn)發(fā)延遲，網(wǎng)絡(luò)最大的直徑是七個(gè)交換機(jī)，最大允許七個(gè)交換機(jī)進(jìn)行一個(gè)串聯(lián)，而在生成樹(shù)中，BPDU是一種中繼式的發(fā)送，也就是說(shuō)這個(gè)交換機(jī)只有收到上一個(gè)交換機(jī)發(fā)送的BPDU我才會(huì)向上游進(jìn)行發(fā)送，所以七個(gè)交換機(jī)從第一個(gè)交換機(jī)到第七個(gè)交換機(jī)收到的話是需要經(jīng)歷2x7=14秒，所以就設(shè)置這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)15秒，確保網(wǎng)絡(luò)中的所有BPDU能夠到達(dá)所有交換機(jī)能夠到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的最邊緣，確保網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行收斂，避免造成臨時(shí)的環(huán)路，

STP計(jì)時(shí)器

MaxAge時(shí)間：20秒
轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延：15秒
Hello周期：2秒

阻塞端口

一直停留在阻塞狀態(tài)
在最大老化時(shí)間（20秒）之內(nèi)沒(méi)有收到BPDU，就會(huì)變成指定端口，然后成監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)收斂
阻塞端口一直停留在blocking狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)只允許接收BPDU但是不允許發(fā)送BPDU，不允許學(xué)習(xí)mac地址，不允許轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，只有一種情況，如果阻塞端口在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)上游沒(méi)有發(fā)送BPDU，那么就會(huì)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中某段鏈路發(fā)生了故障，這種情況下，阻塞端口才會(huì)進(jìn)入偵聽(tīng)，重新參與生成樹(shù)的計(jì)算，重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的收斂

端口角色到底是在哪一個(gè)端口狀態(tài)下完成的，端口角色和端口狀態(tài)到底有什么關(guān)系？？？

STP端遷移案例

時(shí)刻一：STP啟動(dòng)時(shí)，阻塞所有端口防止環(huán)路，所有端口都處于阻塞狀態(tài)
時(shí)刻二：STP剛啟動(dòng)完，交換機(jī)都認(rèn)為自己是根網(wǎng)橋，所有端口都是指定端口，并遷移到監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，發(fā)送BPDU，進(jìn)行STP選舉
時(shí)刻三：STP算法選出各端口角色
sw3側(cè)端口選舉成為阻塞端口，切換到阻塞狀態(tài)
時(shí)刻四：經(jīng)過(guò)2個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，指定端口和根端口最終切換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)
假設(shè)所有設(shè)備現(xiàn)在同時(shí)加電，每一個(gè)交換機(jī)的生成樹(shù)是需要啟動(dòng)的，所以在啟動(dòng)的過(guò)程中，所有端口首先會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，就是避免造成臨時(shí)的環(huán)路，在這種狀態(tài)下是不允許任何數(shù)據(jù)的發(fā)送的，當(dāng)生成樹(shù)啟動(dòng)完之后，就開(kāi)始生成樹(shù)的算法，每一個(gè)交換機(jī)都認(rèn)為自己是根網(wǎng)橋所有每一個(gè)端口都認(rèn)為自己是指定端口，那么端口狀態(tài)就從blocking狀態(tài)變成偵聽(tīng)狀態(tài)，在偵聽(tīng)狀態(tài)下面，偵聽(tīng)狀態(tài)的功能是能夠接收BPDU，也能夠發(fā)送BPDU，也就是說(shuō)所有端口在偵聽(tīng)下面能夠完成BPDU的交互，最終通過(guò)BPDU的交互，可以完成生成樹(shù)算法端口角色的選舉，比如說(shuō)根據(jù)生成樹(shù)端口角色的一個(gè)選舉，sw1成為根網(wǎng)橋，所有交換機(jī)上面的根端口也選舉出來(lái)，同樣根據(jù)生成樹(shù)的算法，選擇sw3上的一個(gè)端口稱為阻塞端口，如果這個(gè)端口成為阻塞端口，那么這個(gè)端口就立即成為阻塞狀態(tài)，不允許數(shù)據(jù)的發(fā)送，其他的端口狀態(tài)仍然是偵聽(tīng)狀態(tài)，還不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，指定端口和跟端口在偵聽(tīng)狀態(tài)下經(jīng)歷15秒，學(xué)習(xí)狀態(tài)下經(jīng)歷15秒，最終變成轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)
生成樹(shù)端口角色的選舉是在偵聽(tīng)狀態(tài)下完成的，通過(guò)交互BPDU來(lái)完成

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