STP原理及选举过程

实验1: STP

1、实验目的

通过本实验，读者可以掌握如下技能：

（1）理解STP 的工作原理

（2）掌握STP的选举过程

2、实验原理

STP(STP，Spanning Tree Protocol)解决广播风暴、同一帧的多个拷贝、交换机CAM 表不稳定等问题，STP 基本思路是阻断一些交换机接口，构建一棵没有环路的转发树。STP 利用BPDU(Bridge Protocol Data Unit)和其他交换机进行通信，从而确定哪个交换机该阻断哪个接口。在BPDU 中有几个关键的字段，例如：根桥ID、路径代价、端口ID 等。

为了在网络中形成一个没有环路的拓扑，网络中的交换机要进行以下三个步骤：（1）选举根桥、（2）选举根端口、（3）选举指定端口。这些步骤中，哪个交换机能获胜将取决于以下因素（按顺序进行）：

(1)最低的根桥ID

由两部分组成：桥优先级(默认32768)和MAC地址

(2)最低的根路径代价

不是独立的协议标准，而是为标准做的一些必要性补充。

本实验中各种以太网类型的cost如下：

100M: 200000 10M: 100 2000000

(3)最低发送者桥ID

也就是发送者的桥ID，判断规则同(1)中的一样

(4)最低发送者端口ID

由两部分组成：端口优先级(默认32)和端口序列号（例：f0/3比f0/47优先级高）

每个交换机都具有一个唯一的桥ID，这个ID 由两部分组成：网桥优先级+MAC 地址(如果网桥优先级相同，才比较MAC地址)。网桥优先级是一个2个字节的数(0-61440)，交换机的默认优先级为32768；MAC地址就是交换机的MAC地址。具有最低桥ID的交换机就是根桥。根桥上的接口都是指定口，会转发数据包。

选举了根桥后，其他的交换机就成为非根桥了。每台非根桥要选举一条到根桥的根路径。STP 使用路径Cost 来决定到达根桥的最佳路径（Cost 是累加的，带宽大的链路Cost 低），最低Cost 值的路径就是根路径，该接口就是根口；如果Cost 值一样，再根据最低发送者桥ID、最低发送者

端口优先级、最低发送者端口序列号（例：f0/3比f0/47优先级高）这个顺序选举根口。根口可以转发数据包的。

交换机的其他接口还要决定是指定口还是阻断口，交换机之间将进一步根据上面的四个因素来竞争。指定口是转发数据帧的。剩下的其它的接口将被阻断，不转发数据包。这样网络就构建出一棵没有环路的转发树。

当网络的拓扑发生变化时，网络会从一个状态向另一个状态过渡，重新打开或阻断某些接口。交换机的端口要经过几种状态：禁用（Disable）、阻塞（Blocking）、监听状态(Listening)、学习状态（Learning）、最后是转发状态(Forwarding)。

3、实验拓扑

图3：实验拓扑图

图3中， S2、S3、S4为二层交换机，S1为三层交换机，但是这里并不利用其三层功能，所以它也采用二层交换机的图标。

4、实验步骤

为了在网络中形成一个没有环路的拓扑，网络中的交换机要进行以下三个步骤：（1）选举根桥、（2）选举根端口、（3）选举指定端口。

选举根桥

根桥：所有参与STP选举的网桥中，网桥ID最小的为根桥。

选举根桥是为了使网络中所有交换机达成一致的无环路拓扑。

网桥ID由网桥优先级和网桥的MAC地址组成，网桥ID越小的，BPDU 越优。在最初始状态，所有参与STP选举的设备分别以自己为根网桥，发送BPDU，当各设备收到BPDU和自己发送的BPDU进行比较，如果收到的BPDU的网桥ID优先级高，则保存相应的BPDU配置，更新到更高网桥ID 优先级端口根路径开销后，以更新的BPDU信息继续向外扩散；如果收到的BPDU的网桥ID优先级比自己的低，则丢弃并发送自己更高优先级的BPDU进行回应。

BPDU进行比较时，先比较网桥优先级，如果网桥优先级相同，才比较MAC地址的大小。

读者可通过下图STP选举根网桥实例来简单理解STP在网桥优先级不

同时是如何选举根网桥的。

图4：STP选举根网桥实例

测试用例1

测试目的：网桥优先级不相同时的根桥选举

测试用例描述： S1网桥优先级设置为4096，S2、S3、S4优先级设置为默认（32768），S1为根桥。

预期结果：S1网桥优先级设置为4096，S2、S3、S4优先级设置为默认（32768），S1为根桥。

表网桥ID值

网桥优先级MAC

S14096

表预期根桥及各端口角色

测试过程：

步骤1：开启S1、S2、S3、S4的STP功能，并将生成树协议类型都配置为stp

S1(config)#spanning-tree

S1(config)#spanning-tree mode stp

S1(config)#spanning-tree priority 4096

S2 (config)#spanning-tree

S2 (config)#spanning-tree mode stp

S3 (config)#spanning-tree

S3 (config)#spanning-tree mode stp

S4 (config)#spanning-tree

S4 (config)#spanning-tree mode stp

步骤2：查看S1上STP树信息摘要

S1(config)#sh spanning-tree summary

Spanning tree enabled protocol stp

Root ID Priority 4096

Address this bridge is root

Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age

20 sec

//以上显示STP树的根桥信息，通过根桥的MAC 地址可以确定S1是根

桥。

Bridge ID Priority 4096

Address Hello Time 2 sec

Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec

//以上显示该交换机的桥ID

Interface Role Sts Cost Prio Type OperEdge

---------------- ---- --- ---------- -------- -----

---------------

Fa0/47 Desg FWD 200000 128 P2p False