电子教案08 生成树协议
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8.1 交换网络中的冗余链路
本节主要介绍了交换网络中的冗余链路的 必要性以及其带来的环路问题的危害性。
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1.冗余链路的必要性
在由许多交换设备组成的网络环境中，为了提高 网络的可用性，保证各种网络终端包括服务器在内的 设备间正常通信，绝大多数情况下我们常在交换网络 中采用多条链路连接交换设备，形成备份链接来保证 线路上的单点故障不会影响正常网络的通信。备份连 接也叫备份链路或冗余链路。如图8-1（b）所示，交 换机SW1与交换机SW2之间的链路就是一个备份连接。 在主链路（SW1与SW3的之间的链路或者SW2与SW3之间 的链路）出故障时，备份链路自动启用，从而提高网 络的整体可靠性。
Disabled(禁用)：为了管理目的或者因为发生故障将端口关闭。 Blocking(阻塞)：在初始启用端口之后的状态。端口不能接收 或者传输数据，不能把MAC地址加入它的地址表，只能接收BPDU。如 果检测到有一个桥接环，或者如果端口失去了根端口或者指定端口的 状态，就会返回到阻塞状态。 Listening(监听)：若一个端口可以成为一个根端口或者指定端 口，则转入监听状态。该端口不能接收或传输数据，也不能把MAC地 址加入到它的地址表，只能接收或发送BPDU。
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8.2.2 生成树协议的原理
2．生成树协议的工作过程
Priority: 80-00 (00-00-0C-AA-AA-AA) Port1 Port2 Priority: 80-00 (00-00-0C-BB-BB-BB)
Path Cost：4
SW1
Port1 Port2
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8.３ 快速生成树协议
本节主要介绍了快速生成树协议的改进 之处、快速生成树的形成过程以及快速生成 树与生成树之间的兼容性。
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1、快速生成树协议的改进之处 RSTP协议在STP协议基础上作了以下三点重要改进，使 得收敛速度大大加快。 (1)为根端口和指定端口设臵了快速切换用的替换端口 （Alternate Port）和备份端口（Backup Port）两种角色， 当根端口或指定端口失效的情况下，替换端口或备份端口就 会无时延地进入转发状态。图8-4中所有交换机都运行RSTP 协议，SW1是根交换机，假设SW2的端口1是根端口，端口2将 能够识别这个拓扑结构，成为根端口的替换端口，进入阻塞 状态。当端口1所在链路失效的情况下，端口2就能够立即进 入转发状态，无需等待两倍转发延时时间。
SW2
Path Cost：10
Port1 SW3 Port2
Path Cost：4
Priority: 80-00 (00-00-0C-CC-CC-CC)
图8-2 STP工作过程
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8.2.2 生成树协议的原理
2．生成树协议的工作过程
（1）在网络中选择一个交换机为根交换机 （Root Bridge）
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8.2.2 生成树协议的原理
４．生成树协议的缺点
时间
Blocking (阻塞) 最大保留时间 Listening (侦听) 发送延迟 Learning (学习) 发送延迟 Forwarding (发送)
描述生成树性能的三个计时器
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8.2.2 生成树协议的原理
５．生成树协议的发展
在生成树协议发展过程中，老的缺陷不断被克服，新的特性不 断被开发出来。按照大功能点的改进情况，我们可以把生成树协议的 发展过程划分成三代。 第一代生成树协议：STP/RSTP 第二代生成树协议：PVST/PVST+ 第三代生成树协议：MISTP/MSTP
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8.2.2 生成树协议的原理
1．生成树协议的基本原理
生成树协议的主要思想就是当网络中存在环路时，通过一定的算 法将交换机的某些端口进行阻塞，从而使网络形成一个无环路的树状 结构。具体实现如下： ①网络中选择了一个交换机为根交换机（Root Bridge）。 ②每个交换机都计算出了到根交换机（Root Bridge）的最短路径。 ③除根交换机外的每个交换机都有一个根口（Root Port），即提供 最短路径到Root Bridge的端口。 ④每个LAN都有了指定交换机（Designated Bridge），位于该LAN与 根交换机之间的最短路径中。指定交换机和LAN相连的端口称为指定 端口（Designated port）。 ⑤根口（Root port）和指定端口（Designated port）进入转发 (Forwarding)状态。 ⑥其他的冗余端口就处于阻塞状态（Forwardign或Discarding）。
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8.2.2 生成树协议的原理
４．生成树协议的缺点
STP协议的缺陷主要表现在收敛速度上。 当网络拓扑发生变化时，新的BPDU要经过一定的时延才能传播 到整个网络，这个时延称为转发延时，协议默认值是15秒。在所有交 换机收到这个变化的消息之前，若旧拓扑结构中处于转发的端口还没 有发现自己应该在新的拓扑中停止转发，则可能存在临时环路。为了 解决临时环路的问题，生成树使用了一种定时器策略，即在端口从阻 塞状态到转发状态中间加上一个只学习MAC地址但不参与转发的中间 状态，两次状态切换的时间长度都是Forward Delay，这样就可以保 证在拓扑变化的时候不会产生临时环路。但是，这个看似良好的解决 方案实际上带来的却是至少两倍转发延时的收敛时间。
本节主要介绍了生成树协议的功能以及生 成树协议的原理。
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8.2.1 生成树协议的功能
生成树协议的主要功能就是为了解决网络中由于 备份连接所产生的环路问题。当网络中有环路时，生 成树协议通过生成树算法（Spanning Tree Algorithm，SPA）生成一个没有环路的网络，当主要 链路出现故障时，能够自动切换到备份链路，保证网 络的正常通信。 具体的实现方法是：生成树协议通过在交换机上 运行SPA算法，先使冗余端口臵于“阻塞状态”，这 样可使网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效； 而当这个链路出现障碍时，生成树协议将会重新计算 出网络的最优链路，将原处于“阻塞状态”的部分端 口重新打开，从而确保网络连接的稳定性和可靠性。
第8章 生成树协议
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第8章 生成树协议
学习目的与要求：
冗余链路是为了提高网络的可用性、减少网络 故障时间的重要措施。但交换机的基本工作原理 导致了这样的设计可能会在交换网络中产生广播 风暴等问题。本章介绍在交换网络中既能保证冗 余链路以提供链路备份，又能避免环路、广播风 暴等问题产生的技术——生成树技术。
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8.2.2 生成树协议的原理
３．生成树协议的端口状态
Learning(学习)：在转发延时(Forward Delay)计时时间（默认 为15秒）之后，端口进入学习状态。端口不能传输数据，但可以发送 和接收BPDU。现在可以学习MAC地址，并将其加入到地址表中。 Forwarding(转发)：在下一次转发延时计时时间（默认为15秒）之 后，端口进入转发状态。端口现在能够发送和接收数据、学习MAC地 址，还能发送和接收BPDU。
学完本章，你将能够：
设计冗余链路 配臵生成树协议
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第8章 生成树协议
8.1 交换网络中的冗余链路 8.2 生成树协议 8.3 快速生成树协议 8.4 VLAN快速生成树协议 8.5 多实例生成树协议 8.6 生成树协议的配臵命令 8.7 生成树协议的配臵实例 本章小结 本章实训 本章习题
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1、快速生成树协议的改进之处
SW1 ×2
Si
SW2
Si
1
SW1 2
Si
SW2
Si
×1
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2、快速生成树网络拓扑树的生成
假设三台交换机SWA、SWB、SWC的Bridge ID是递增的，即Switch A 的优先级最高，SWA与SWB之间是千兆链路，SWB和SWC为百兆链路，SWA 和SWC间为十兆链路。SWA作为该网络的骨干交换机，对SWB和SWC都做了
根端口和指定端口进入转发Forwarding状态，既不是根端口也 不是指定端口的交换机端口被设为阻塞状态，如SW1的Port1和SW3的 Port1。这一步断开了不设臵阻塞将会形成的所有桥接环(bridging loop)。
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8.2.2 生成树协议的原理
３．生成树协议的端口状态
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SW
故障
SW2
SW3
故障
SW1
图8-1(a) 单点故障
8-1(b) 备份链路
Leabharlann Baidu
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2.环路的危害性
(1) 广播风暴 (2) 多帧复制 (3) MAC地址表的不稳定
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8.2 生成树协议
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1、快速生成树协议的改进之处
（2）在只连接两个交换端口的点对点链路中，指定端 口只需与下游交换机进行一次握手就可以无时延地进入转发 状态。如果是连接了三个以上交换机的共享链路，下游交换 机是不会响应上游指定端口发出的握手请求的，只能等待两 倍转发延时进入转发状态。 （3）直接与终端相连而不是把其他交换机相连的端口 定义为边缘端口（Edge Port）。边缘端口可以直接进入转 发状态，不需要任何延时。由于交换机无法知道端口是否是 直接与终端相连，所以需要人工配臵。
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8.2.2 生成树协议的原理
2．生成树协议的工作过程
（2）根端口的选择
除根交换机以外的的每台交换机都将选择一个根端口(Root Port)，或者说是选择一个“最靠近”根交换机的端口，这是通过判 断出有最小根路径成本(Lowest Root Path Cost)的端口实现的。所 谓端口根路径成本是指从该端口到根交换机的路径成本。
（３）指定端口的选择
在每个网段选择一个交换机端口处理该段网络的流量，在网段内有 最小根路径成本的端口就成为指定端口(designated port)，如图82中交换机SW2的Port2端口。
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8.2.2 生成树协议的原理
2．生成树协议的工作过程
（４）删除桥接环
正如所有的树都有树根，生成树也需要一个根，这通过在网络 中选择一个根交换机来实现。在网络中，所有的交换机都分配了一个 优先级别，具有最小优先级别的交换机将成为根交换机。如果所有交 换机的优先级别都相同，则具有最小MAC地址的交换机会成为根交换 机。一开始所有交换机都通过发送带有自身交换机ID和优先级别的 hello数据包声称自己是根交换机，如果有一个交换机收到另一个交 换机的hello数据包，发现对方比自己更适合成为根交换机时，就停 止声明自己是根交换机，而开始转发这个更好的交换机的hello数据 包，最终将有一个交换机在选举中胜出，所有的交换机都支持该交换 机成为根交换机。
8.2.2 生成树协议的原理
４．生成树协议的缺点 Hello timer(BPDU发送间隔)：定时发送BPDU报文的时间间隔， 默认为2秒。 Forward-Delay timer( 发 送 延 迟 ) ： 端 口 从 listening 转 变 向 learning,或者从learning转向forwarding状态的时间间隔，默认为 15秒。 Max-Age timer(最大保留时间)：BPDU 报文消息生存的最长时 间。当超过这个时间，报文消息将被丢弃，默认为20秒。 生成树经过一段时间（默认值是50秒左右）稳定之后，所有端 口或者进入转发状态，或者进入阻塞状态。STP BPDU仍然会定时 （默认1次/2秒）从各个交换机的指定端口发出，以维护链路的状态。 如果网络拓扑发生变化，生成树就会重新计算，端口状态也会随之改 变。
8.1 交换网络中的冗余链路
本节主要介绍了交换网络中的冗余链路的 必要性以及其带来的环路问题的危害性。
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1.冗余链路的必要性
在由许多交换设备组成的网络环境中，为了提高 网络的可用性，保证各种网络终端包括服务器在内的 设备间正常通信，绝大多数情况下我们常在交换网络 中采用多条链路连接交换设备，形成备份链接来保证 线路上的单点故障不会影响正常网络的通信。备份连 接也叫备份链路或冗余链路。如图8-1（b）所示，交 换机SW1与交换机SW2之间的链路就是一个备份连接。 在主链路（SW1与SW3的之间的链路或者SW2与SW3之间 的链路）出故障时，备份链路自动启用，从而提高网 络的整体可靠性。
Disabled(禁用)：为了管理目的或者因为发生故障将端口关闭。 Blocking(阻塞)：在初始启用端口之后的状态。端口不能接收 或者传输数据，不能把MAC地址加入它的地址表，只能接收BPDU。如 果检测到有一个桥接环，或者如果端口失去了根端口或者指定端口的 状态，就会返回到阻塞状态。 Listening(监听)：若一个端口可以成为一个根端口或者指定端 口，则转入监听状态。该端口不能接收或传输数据，也不能把MAC地 址加入到它的地址表，只能接收或发送BPDU。
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2．生成树协议的工作过程
Priority: 80-00 (00-00-0C-AA-AA-AA) Port1 Port2 Priority: 80-00 (00-00-0C-BB-BB-BB)
Path Cost：4
SW1
Port1 Port2
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8.３ 快速生成树协议
本节主要介绍了快速生成树协议的改进 之处、快速生成树的形成过程以及快速生成 树与生成树之间的兼容性。
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1、快速生成树协议的改进之处 RSTP协议在STP协议基础上作了以下三点重要改进，使 得收敛速度大大加快。 (1)为根端口和指定端口设臵了快速切换用的替换端口 （Alternate Port）和备份端口（Backup Port）两种角色， 当根端口或指定端口失效的情况下，替换端口或备份端口就 会无时延地进入转发状态。图8-4中所有交换机都运行RSTP 协议，SW1是根交换机，假设SW2的端口1是根端口，端口2将 能够识别这个拓扑结构，成为根端口的替换端口，进入阻塞 状态。当端口1所在链路失效的情况下，端口2就能够立即进 入转发状态，无需等待两倍转发延时时间。
SW2
Path Cost：10
Port1 SW3 Port2
Path Cost：4
Priority: 80-00 (00-00-0C-CC-CC-CC)
图8-2 STP工作过程
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2．生成树协议的工作过程
（1）在网络中选择一个交换机为根交换机 （Root Bridge）
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４．生成树协议的缺点
时间
Blocking (阻塞) 最大保留时间 Listening (侦听) 发送延迟 Learning (学习) 发送延迟 Forwarding (发送)
描述生成树性能的三个计时器
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５．生成树协议的发展
在生成树协议发展过程中，老的缺陷不断被克服，新的特性不 断被开发出来。按照大功能点的改进情况，我们可以把生成树协议的 发展过程划分成三代。 第一代生成树协议：STP/RSTP 第二代生成树协议：PVST/PVST+ 第三代生成树协议：MISTP/MSTP
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1．生成树协议的基本原理
生成树协议的主要思想就是当网络中存在环路时，通过一定的算 法将交换机的某些端口进行阻塞，从而使网络形成一个无环路的树状 结构。具体实现如下： ①网络中选择了一个交换机为根交换机（Root Bridge）。 ②每个交换机都计算出了到根交换机（Root Bridge）的最短路径。 ③除根交换机外的每个交换机都有一个根口（Root Port），即提供 最短路径到Root Bridge的端口。 ④每个LAN都有了指定交换机（Designated Bridge），位于该LAN与 根交换机之间的最短路径中。指定交换机和LAN相连的端口称为指定 端口（Designated port）。 ⑤根口（Root port）和指定端口（Designated port）进入转发 (Forwarding)状态。 ⑥其他的冗余端口就处于阻塞状态（Forwardign或Discarding）。
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４．生成树协议的缺点
STP协议的缺陷主要表现在收敛速度上。 当网络拓扑发生变化时，新的BPDU要经过一定的时延才能传播 到整个网络，这个时延称为转发延时，协议默认值是15秒。在所有交 换机收到这个变化的消息之前，若旧拓扑结构中处于转发的端口还没 有发现自己应该在新的拓扑中停止转发，则可能存在临时环路。为了 解决临时环路的问题，生成树使用了一种定时器策略，即在端口从阻 塞状态到转发状态中间加上一个只学习MAC地址但不参与转发的中间 状态，两次状态切换的时间长度都是Forward Delay，这样就可以保 证在拓扑变化的时候不会产生临时环路。但是，这个看似良好的解决 方案实际上带来的却是至少两倍转发延时的收敛时间。
本节主要介绍了生成树协议的功能以及生 成树协议的原理。
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8.2.1 生成树协议的功能
生成树协议的主要功能就是为了解决网络中由于 备份连接所产生的环路问题。当网络中有环路时，生 成树协议通过生成树算法（Spanning Tree Algorithm，SPA）生成一个没有环路的网络，当主要 链路出现故障时，能够自动切换到备份链路，保证网 络的正常通信。 具体的实现方法是：生成树协议通过在交换机上 运行SPA算法，先使冗余端口臵于“阻塞状态”，这 样可使网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效； 而当这个链路出现障碍时，生成树协议将会重新计算 出网络的最优链路，将原处于“阻塞状态”的部分端 口重新打开，从而确保网络连接的稳定性和可靠性。
第8章 生成树协议
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第8章 生成树协议
学习目的与要求：
冗余链路是为了提高网络的可用性、减少网络 故障时间的重要措施。但交换机的基本工作原理 导致了这样的设计可能会在交换网络中产生广播 风暴等问题。本章介绍在交换网络中既能保证冗 余链路以提供链路备份，又能避免环路、广播风 暴等问题产生的技术——生成树技术。
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３．生成树协议的端口状态
Learning(学习)：在转发延时(Forward Delay)计时时间（默认 为15秒）之后，端口进入学习状态。端口不能传输数据，但可以发送 和接收BPDU。现在可以学习MAC地址，并将其加入到地址表中。 Forwarding(转发)：在下一次转发延时计时时间（默认为15秒）之 后，端口进入转发状态。端口现在能够发送和接收数据、学习MAC地 址，还能发送和接收BPDU。
学完本章，你将能够：
设计冗余链路 配臵生成树协议
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8.1 交换网络中的冗余链路 8.2 生成树协议 8.3 快速生成树协议 8.4 VLAN快速生成树协议 8.5 多实例生成树协议 8.6 生成树协议的配臵命令 8.7 生成树协议的配臵实例 本章小结 本章实训 本章习题
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1、快速生成树协议的改进之处
SW1 ×2
Si
SW2
Si
1
SW1 2
Si
SW2
Si
×1
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2、快速生成树网络拓扑树的生成
假设三台交换机SWA、SWB、SWC的Bridge ID是递增的，即Switch A 的优先级最高，SWA与SWB之间是千兆链路，SWB和SWC为百兆链路，SWA 和SWC间为十兆链路。SWA作为该网络的骨干交换机，对SWB和SWC都做了
根端口和指定端口进入转发Forwarding状态，既不是根端口也 不是指定端口的交换机端口被设为阻塞状态，如SW1的Port1和SW3的 Port1。这一步断开了不设臵阻塞将会形成的所有桥接环(bridging loop)。
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8.2.2 生成树协议的原理
３．生成树协议的端口状态
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SW
故障
SW2
SW3
故障
SW1
图8-1(a) 单点故障
8-1(b) 备份链路
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2.环路的危害性
(1) 广播风暴 (2) 多帧复制 (3) MAC地址表的不稳定
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8.2 生成树协议
http://www.51zsk.com
1、快速生成树协议的改进之处
（2）在只连接两个交换端口的点对点链路中，指定端 口只需与下游交换机进行一次握手就可以无时延地进入转发 状态。如果是连接了三个以上交换机的共享链路，下游交换 机是不会响应上游指定端口发出的握手请求的，只能等待两 倍转发延时进入转发状态。 （3）直接与终端相连而不是把其他交换机相连的端口 定义为边缘端口（Edge Port）。边缘端口可以直接进入转 发状态，不需要任何延时。由于交换机无法知道端口是否是 直接与终端相连，所以需要人工配臵。
http://www.51zsk.com
8.2.2 生成树协议的原理
2．生成树协议的工作过程
（2）根端口的选择
除根交换机以外的的每台交换机都将选择一个根端口(Root Port)，或者说是选择一个“最靠近”根交换机的端口，这是通过判 断出有最小根路径成本(Lowest Root Path Cost)的端口实现的。所 谓端口根路径成本是指从该端口到根交换机的路径成本。
（３）指定端口的选择
在每个网段选择一个交换机端口处理该段网络的流量，在网段内有 最小根路径成本的端口就成为指定端口(designated port)，如图82中交换机SW2的Port2端口。
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8.2.2 生成树协议的原理
2．生成树协议的工作过程
（４）删除桥接环
正如所有的树都有树根，生成树也需要一个根，这通过在网络 中选择一个根交换机来实现。在网络中，所有的交换机都分配了一个 优先级别，具有最小优先级别的交换机将成为根交换机。如果所有交 换机的优先级别都相同，则具有最小MAC地址的交换机会成为根交换 机。一开始所有交换机都通过发送带有自身交换机ID和优先级别的 hello数据包声称自己是根交换机，如果有一个交换机收到另一个交 换机的hello数据包，发现对方比自己更适合成为根交换机时，就停 止声明自己是根交换机，而开始转发这个更好的交换机的hello数据 包，最终将有一个交换机在选举中胜出，所有的交换机都支持该交换 机成为根交换机。
8.2.2 生成树协议的原理
４．生成树协议的缺点 Hello timer(BPDU发送间隔)：定时发送BPDU报文的时间间隔， 默认为2秒。 Forward-Delay timer( 发 送 延 迟 ) ： 端 口 从 listening 转 变 向 learning,或者从learning转向forwarding状态的时间间隔，默认为 15秒。 Max-Age timer(最大保留时间)：BPDU 报文消息生存的最长时 间。当超过这个时间，报文消息将被丢弃，默认为20秒。 生成树经过一段时间（默认值是50秒左右）稳定之后，所有端 口或者进入转发状态，或者进入阻塞状态。STP BPDU仍然会定时 （默认1次/2秒）从各个交换机的指定端口发出，以维护链路的状态。 如果网络拓扑发生变化，生成树就会重新计算，端口状态也会随之改 变。