STP生成树角色以及选举过程

STP端口角色

STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口和预备端口。

指定端口（Design）：是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。

根端口（Root）：是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。

预备端口（Alternate）：如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

Tips：一台交换机有且仅有一个根端口（根桥除外），一条链路有且仅有一个指定端口。

STP端口角色选举过程

1、选举一个根桥。

2、每个非根交换机选举一个根端口。

3、每个网段选举一个指定端口。

4、阻塞非根、非指定端口。

这些不同的端口角色是怎样选举出来的，会在下面详细描述

根桥选举

STP中根桥的选举依据的是桥ID（Bridge ID），STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。

桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。

查看桥ID的命令：display stp

如下图所示：此时交换机的桥ID为32768(桥优先级).4c1f-cc93-1da6（MAC地址）

根桥选举过程：

1、首先对比桥优先级，桥优先级最高（数值最小的）的设备会被选举为根桥。

2、如果桥优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。

交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。

如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。

根端口选举

非根交换机在选举根端口时依据的先后顺序为该端口的根路径开销、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。

根路径开销：交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口发送数据时的开销值，即出端口的开销。STP认为从一个端口接收数据是没有开销的。端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有出端口的端口开销总和，即根路径开销RPC（Root Path Cost）。非根桥根据根路径开销来确定到达根桥的最短路径，并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。

缺省情况下，端口开销的默认值为20000。

端口ID：运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID（port ID)可以用来确定端口角色。

下图红圈中就是端口ID的一个例子，其指出了该交换机设备的根端口ID为128(端口优先级).15（端口号）

根端口选举过程：

1、首先比较根路径开销，确定非根交换机中哪个端口到根桥的路径开销最少。

2、如果每个端口的根路径开销均相同，则比较对端交换机的桥ID（Bridge ID），桥ID越小越优先。

3、如果对端交换机的桥ID相同的情况（如两台设备之间连接了两条或以上的链路），则比较对端交换机上的端口ID（Port ID），端口ID越小越优先。

4、如果对端的端口ID（Port ID）相同（极少见情况），则比较本端交换机上的端口ID（Port ID），端口ID越小越优先。

每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个衡量标准是靠累计根路径开销来判定的，即累计根路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中累计根路径开销字段的值，加上该端口本身的路径开销即为累计根路径开销。

指定端口选举

在网段上抑制其他端口（无论是本设备的还是其他设备的）发送BPDU报文的，只有自己才能发送BPDU的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。

指定端口选举过程

1、首先比较累计根路径开销，累计根路径开销最小的端口就是指定端口。

2、如果累计根路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。

3、如果通过累计根路径开销和所在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。

网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，预备端口将被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。

通过实验来检验STP端口角色选举

现于华为网络学习软件eNSP中建立拓扑图如上，由于交换机默认使用MSTP（多实例生成树协议），所以这里需要改为使用STP协议（生成树协议）。具体配置方式在以后在详述。

在图中，已经给出了LSW1~LSW4交换机的桥ID（Bridge ID），可以知道四台交换机的桥优先级均相同，都为默认的32768。所有链路的端口开销均相同，为默认的20000。

Step 1 ：选举根桥

四台交换机的桥优先级相同，MAC地址最小的是LSW4，则根桥为LSW4

Step 2 ： 每台交换机选举根端口

对于LSW4：根桥没有根端口，且根桥上所有端口都为指定端口。

对于LSW2：首先对比根路径开销，由图可知路径LSW2-LSW4的开销为20000，路径LSW2-LSW3-LSW4为40000，路径LSW2-LSW1-LSW3-LSW4为60000。则GE0/0/2的端口开销最小，根端口为G0/0/2。

对于LSW3：与LSW2相同，根端口为G0/0/3。

对于LSW1：由图可知，路径LSW1-LSW2-LSW4和路径LSW1-LSW3-LSW4根路径开销都是相同的，那么就要比较对端交换机的桥ID。

因为LSW3的桥ID比LSW2的桥ID小，则优先级大，可以确定根端口会在端口G0/0/18或G0/0/15中产生。那么接着就要比较对端交换机的端口ID。

因为LSW3上G0/0/18的端口ID为128.18，G0/0/15的端口ID为128.15,那么G0/0/15的端口ID要小，那么其对应在LSW1的对应端口G0/0/15称为了根端口。

Step 3：每条链路选举一个指定端口                  

对于LSW2和LSW1之间的链路：由于LSW2距离根桥的根路径开销更小，所以LSW2上的G0/0/10和G0/0/12都是指定端口。

对于LSW3和LSW1之间的链路：同理可知LSW3上的G0/0/18和G0/0/15都是指定端口

对于LSW2和LSW3之间的链路：首先LSW2和LSW3到根桥LSW4的根路径开销是相同的，那么就要比较本端交换机上的桥ID，可知LSW3的桥ID更小，所以LSW3上的端口G0/0/10是指定端口。

Step4：将剩余的端口设为预备端口，预备端口被阻塞

剩余的非根端口且非指定端口，即LSW2上的G0/0/6，LSW1的G0/0/6，G0/0/10和G0/0/8这些端口设为预备端口，所有预备端口均被阻塞，不转发BPDU报文和用户流量。

验证：端口角色之间选举完成，如拓扑图中给出。结果可以登录进交换机进行查证

ROOT：根端口  DESI：指定端口  ALTE：预备端口

LSW1：

LSW2：

LSW3：

LSW4：

                                                                                                                                                                                                                                                                             

Tips：生成树协议在交换机上一般是默认开启的，不经人工干预即可正常工作。但这种自动生成的方案可能导致数据传输的路径并非最优化。因此，可以通过人工设置的方法影响生成树的生成结果。具体的设置方法将会在之后给出。

端口状态切换

1、端口初始化或使能;

2、端口被选为根端口或指定端口。

3、端口不再是根端口或指定端口。

4、forward delay计时器超时。

5、端口禁用或链路失效。

完全收敛时间为30秒

图中所示为STP的端口状态迁移机制，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。