why the spanning tree protocol (STP) is needed in a higher-end switch?

延伸樹協定(STP, Spanning Tree Protocol)為一種中階交換器功能，允許多部交換器串接而不會形成迴路，造成廣播風暴。其原理為將交換器之間連線形成的圖形拓樸透過學習轉換成樹狀拓樸，讓任兩部交換器之間只有1條路徑相連，避免形成迴路。樹狀結構的學習過程會用到OSI模型第2層的橋接協定資料單元 (BPDU, Bridge Protocol Data Unit) 訊框，彼此交換資料，最後收斂決定：哪部交換器要當根橋接器 (root bridge)，各交換器的骨幹埠 (trunk port) 看是要成為連向上游的根連接埠(root port)，連向下游的指定連接埠(designated port)，或暫時關閉的備用連接埠 (alternate port)，大家講好以免形成迴路。

STP協定有諸多改良版本，例如思科專屬的增強型逐個虛擬區網生成樹 (PVST+, Per-VLAN Spanning Tree Plus)， Rapid PVST+。另外，亦有公開的IEEE快速生成樹協定 (RSTP, Rapid Spanning Tree Protocol) 提供比 STP 更短的學習收斂時間；IEEE多重生成樹協定 (MSTP, Multiple Spanning Tree Protocol) 則可將多個 VLAN 生成樹 由少數幾個運算個體負責，節省運算資源。

交換器允許設定存取埠 (access port) 啟用 PortFast 加速功能，直接接受終端設備訊框，加快存取速度；亦可設定存取埠啟用 BPDU Guard 防護功能，遇到設備送來BPDU訊框時，關閉該連接埠，避免形成迴路。

Reference:
1. CCNA2: 05 STP

three kinds of traffic segmentation functions on a switch

企業在區網內會使用較高階的交換器，主要看重其3種分隔流量的功能:

1. 針對1對1單播訊框 (unicast frame)，可依照訊框的去處網卡住址，又稱媒介存取控制 (mac) 住址，決定訊框將轉送到交換器的哪一個出口，以提升交換器同時間的會談 (session) 數量。
2. 針對1對多廣播訊框 (broadcast frame)，可依照延伸樹 STP 協定，決定交換器的哪一個連接埠 (switch port) 須暫時性開啟或關閉傳送功能，以防止廣播風暴 (broadcast storm)。
3. 擁有虛擬區網 VLAN 功能，可跨越互連的交換器，將訊框轉送給所有相同 VLAN 的接收者，不擔心資料會外洩給其他 VLAN 用戶看到。

以上相關功能可參考下文進一步說明:

1. Blogger: why use high-end switches in an enterprise LAN environment?
2. Blogger: why the spanning tree protocol (STP) is needed in a higher-end switch?
3. Blogger: why virtual local area networks (VLANs) are often used in an enterprise network?