聪明的交换机也有学不会的时候
从上一个笔记 【计算机网络】数据链路层究竟解决了什么问题？，我们已经知道，交换机 比 集线器 要聪明很多，可以学习连接着自己的主机在那个端口上。即是 只要主机一开口说话，交换机就知道主机的 MAC 地址与其所在的端口。
我们只看到了一台交换机的连接情况，确实好像没啥问题，但是一旦交换机数量多了，就有可能产生学不会的情况。
在图片中的情况下，交换机A 和 交换机B 同时连接着 局域网LAN1 和 局域网LAN2。看起来好像貌似提到了高可用性，但却不幸的出现了环路。假如 机器1 要访问 机器2。一开始时，机器1 并不知道 机器2 的MAC地址，所以它需要发起一个 ARP 广播。广播到达 机器2，然后 机器2 就会把MAC地址返回来，看起来并没有问题。
但是，交换机A 还是会收到来自 机器1 的广播包。机器1 并不知道 机器2 在那个局域网上，于是 机器1 将广播包放到 局域网LAN2，而在 局域网LAN2 广播的时候，交换机B 又将广播包再次广播到 局域网LAN1。而此时，交换机A 还是不知道 B 在哪一个局域网中，于是再次将 机器1 的广播包广播到 局域网LAN2。于是绕呀绕呀绕，形成了一个永无止境的圈。
有人可能会问，当两台交换机学会网络拓扑结构之后，是不是就可以了？（也就是 交换机A 知道 机器2 的位置在 局域网LAN1，就不需要再把广播包放到 局域网LAN2 中了）
可惜交换机是学不会的，我们来看看原因。
- 交换机A 的左端收到了来自 机器1 的广播包，于是判断 机器1 在局域网1 中，并且广播到 局域网LAN2。
- 然后，交换机B 的右端也收到了来自 机器1 的广播包，于是判断 机器1 在 局域网LAN2 中，并且将广播包广播到 局域网LAN1。于是 交换机A 所学的会被刷新掉。
- 接着，交换机A 再次收到广播包，又再次认为 机器1 在 局域网LAN1 中。
- 如此反复，导致 交换机A，交换机B 一直无法判断到底 机器1 在哪一个局域网中。
这就称之为 环路问题。
分析上面的过程我们已经知道，回路的出现会导致广播包永无止境地在两个局域网中来回转发，增加了网络负载压力。也就是前面笔记中所说的（【计算机网络】数据链路层究竟解决了什么问题？），马路上越来越堵，导致最后可能所有的车都开不出去。
STP协议解决环路问题
在数据结构中，有环的我们称为图，当图中的环打破掉，就生成了树，这个算法称为 最小生成树（Spanning Tree Protocol，STP） 算法。STP协议比较复杂，我们先来看看它的概念。
- Root Bridge，也就是 根交换机。可以理解为终极大BOSS，或者是掌门（统一天下的感觉）。
- Designated Bridge，就是 指定交换机。可以理解为一个小弟。在树中，这就是树的一个树枝。（而不是叶子节点，叶子节点一般都是主机）
- Bridge Protocol Data Units（BPDU），网络协议数据单元。可以比喻为“相互比较 实力 ”的网络协议。BPDU只有最大的BOSS能发，其他的小弟们只能转发上级的命令。
- Priority Vector，优先级向量。可以理解为每个交换机的 实力。能力越大的交换机越能掌管更多的交换机，他就会离 根交换机 越近。实力 的考核标准是什么呢？[Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID, Port ID]。先看 Root Bridge ID。拿出老大的 ID 看看，发现掌门一样，那就是师兄弟；再比 Root Path Cost，也即我距离我的老大的距离，也就是拿和掌门关系比，看同一个门派内谁和老大关系铁；最后比 Bridge ID，比我自己的 ID，拿自己的本事比。
工作过程是怎么样的呢？
最开始的时候，网络上一片混乱，谁都认为自己是最大的BOSS，谁也不愿意做小弟。每个网桥都被管理员分配了一个 ID，当然管理员知道哪一些交换机更贵，于是对应着更高的等级。边上的数字表示着他们之间的距离。这时候节点之间还没有出现 隶属关系。如下图：
下一步，他们每个人都认为自己是BOSS，谁都不服谁。于是相互发送 BPDU 来比试比试，一比试就出现了输赢，输了的交换机就成了赢家的小跟班（小跟班没有发自己的BPDU的权力了，只能转发大哥的BPDU），这就有了第一个 隶属关系。
1和7碰上了，7的优先级低，所以7做了1的小弟。类推，形成了 n 个二人组（1-7，2-8，5-6，3-4 等）。接下来就会产生四种情况：
- A的大哥遇上B的大哥
1和5相遇了，他们在上一轮中分别都当上了二人组的大哥，都有一个小弟。当然，1的优先级高于5，最总1胜出，5就会带着自己的小弟投靠1。
- A的小弟甲遇上了A的小弟乙
同门相遇，可以是BOSS与自己的小弟相遇，说明此时碰到“环”了。这个小弟已经通过别人拜到你门下，结果你还不认识，就PK了一把。结果有可能BOSS发现小弟的实力还不错，不应该排这么低，于是就把它招到门下亲自带。相当于小弟升职了。
例如图中，1和6相遇了，但是6原本就是通过5成为了1的小弟，只不过6的上司是5，5的上司是1。1发现6的距离只有2，而通过5到6的距离需要（4+1=5），那6直接汇报给我吧，于是6不再需要通过5汇报给1，自己汇报即可。
同门相遇还可以是小弟相遇。这个时候就要比较谁和掌门的关系近，当然近的当大哥。刚才 5 和 6 同时汇报给 1 了，后来 5 和 6 再比较功夫的时候发现，5 你直接汇报给 1 距离是 4，如果 5 汇报给 6 再汇报给 1，距离只有 2+1=3，所以 5 干脆拜 6 为上司。
- A的小弟遇上B的大哥
小弟拿本帮掌门和这个掌门比较，赢了，这个掌门拜入门来。输了，会拜入新掌门，并且逐渐拉拢和自己连接的兄弟，一起弃暗投明。例如，2 和 7 相遇，虽然 7 是小弟，2 是掌门。就个人武功而言，2 比 7 强，但是 7 的掌门是 1，比 2 牛，所以没办法，2 要拜入 7 的门派，并且连同自己的小弟都一起拜入。
- A的小弟遇上B的小弟
各自拿掌门比较，输了的拜入赢的门派，并且逐渐将与自己连接的兄弟弃暗投明。例如，5 和 4 相遇。虽然 4 的武功好于 5，但是 5 的掌门是 1，比 4 牛，于是 4 拜入 5 的门派。后来当 3 和 4 相遇的时候，3 发现 4 已经叛变了，4 说我现在老大是 1，比你牛，要不你也来吧，于是 3 也拜入 1。
最终，一棵树就形成了，即便一开始出现了环，最终通过STP协议生成了一棵树。
STP协议的缺点：
- 当一个大BOSS挂掉了，又需要重新选一次，使用的周期较长。
- 对于跨地域甚至跨国组织的网络支持，计算量很大，比较难完成。
学习笔记，参考《趣谈网络协议》。
