STP原理及选举过程

1、实验1: STP1、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

2、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) 最低的根路径代价带宽IEEE802.1dIEEE802.1t10Mbps1002000000100Mbps192000001000Mbps42000010Gbps22000 802.1t不是独立的协议标准，而是为802.1d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

3、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

4、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

5、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。4.1 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

6、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

7、、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4.1.1 网桥ID值网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS3默认（32768）001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744表4.1.2 预期根桥及各端口角色根桥S1YS2NS3NS4N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stpS1(config)#spanning-treeS1(config

8、)#spanning-tree mode stpS1(config)#spanning-tree priority 4096S2 (config)#spanning-treeS2 (config)#spanning-tree mode stpS3 (config)#spanning-treeS3 (config)#spanning-tree mode stpS4 (config)#spanning-treeS4 (config)#spanning-tree mode stp 步骤2：查看S1上STP树信息摘要S1(config)#sh spanning-tree summary Spannin

9、g tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 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 00d0.f8bb.aa34 Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterf

10、ace Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/24 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/3 Desg FWD 200000 128 P2p False/以上显示该交换机各个接口的状态测试结果：S1被选举为根桥。结果分析：选举根桥时，比较BPDU中的网桥ID大小。先比较网桥优先级，实验中网桥优先级不相同。网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS3默认（32768）0

11、01a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744上表中，S1的网桥优先级4096为拓扑中的最小值，也即优先级最高，所以S1被选举为根桥。测试用例2测试目的：网桥优先级相同，MAC地址不同时的根桥选举测试用例描述： S1、S2、S3、S4优先级都设置为默认，S4为根桥。预期结果：S1、S2、S3、S4优先级都设置为默认，S4为根桥。表4.1.3 网桥ID值网桥优先级MACS1默认（32768）00d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS3默认（32768）001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744

12、（MAC最小）表4.1.4 预期根桥及各端口角色根桥S1NS2NS3NS4Y测试过程：步骤1：配置S1网桥优先级为32768S1(config)#spanning-tree priority 32768 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 32768 Address 001a.a90b.a744 this bridge is root Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Ag

13、e 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S4是根桥。 Bridge ID Priority 32768 Address 00d0.f8bb.aa34 Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Altn BLK 200000 128 P2p False Fa0/24 Altn BLK 200000 128 P2p False Fa0/3 Root BL

14、K 200000 128 P2p False/以上显示该交换机各个接口的状态测试结果：S4被选举为根桥。结果分析：选举根桥时，比较BPDU中的网桥ID大小。先比较网桥优先级，而实验中网桥优先级相同，都为默认（32768）。网桥优先级相同时，比较网桥MAC大小。网桥优先级MACS1默认（32768）00d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS3默认（32768）001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744（MAC最小）实验中S4的网桥MAC：001a.a90b.a744为拓扑中的最小值，优先级最高，所以S4被选举为根桥。4.2

15、 选举根端口根端口: 非根网桥到根网桥的最低开销路径的端口选举根端口时，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地址图5：网桥ID的组成（2）最低的根路径代价图6：根路径成本的计算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）图7：端口ID格式 读者可通过图8中的STP根端口选举实例来形象理解下根

16、端口选举过程。图8：STP根端口选举实例测试用例1测试目的：最低的根路径代价的根端口选举测试用例描述： 配置S1的网桥优先级值为4096，S1和S2的f0/3口的speed都强制为10M时，S2的f0/47为根端口。预期结果：配置S1的网桥优先级值为4096，S1和S2的f0/3口的speed都强制为10M时，S2的f0/47为根端口。表4.2.1 各交换机网桥ID值网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS3默认（32768）001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744表4.2.2 S2上端口

17、cost值链路带宽CostS2 f0/310M2000000S2 f0/47100M200000表4.2.3 各交换机RootCost值RootCostS10S2200000（200000+0）S3200000（200000+0）S4400000（200000+200000+0）表4.2.4 预期S2各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S2NF0/47F0/25F0/3测试过程：步骤1：S1上生成树优先级配置为4096，S1和S2上的fa0/3速率都配置为10Mbps S1(config)#spanning-tree priority 4096S1(config-if-FastEthernet

18、0/47)#int fa 0/3S1(config-if-FastEthernet 0/3)#speed 10S2(config-if-FastEthernet 0/47)#int fa 0/3S2(config-if-FastEthernet 0/3)#speed 10步骤2：查看S2上STP树信息摘要S2#sh spanning-tree summary Spanning tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 this bridge is root Hello Time 2 sec Fo

19、rward 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 32768 Address 001a.a946.e50f Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Root FWD 200000 128 P2p False Fa0/25 Desg FWD 200000 12

20、8 P2p False Fa0/3 Altn BLK 2000000 128 P2p False/以上显示该交换机各个接口的状态测试结果：S2的f0/47被选举为根端口。表4.2.5 实测S2各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S2NF0/47F0/25F0/3结果分析：选举根端口时，首先比较到根网桥的开销。S1和S2之间的两条链路开销是不同的，到根网桥的路径开销是以路径中所有链路的带宽为基础而累加的总路径开销。S2的f0/3到S1的总路径开销为：2000000(10M带宽Cost)+0（根桥的RootCost）。S2的f0/47到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost)+0（根

21、桥的RootCost）。因为S2的f0/47到S1得总路径开销比较小，优先级高，所以S2的f0/47被选举为根端口。测试用例2测试目的：最低发送者网桥ID的根端口选举测试用例描述： 配置S3的网桥优先级为8192，使S1、S2、S3、S4网桥优先级分别为4096、默认（32768）、8192、默认（32768）时，S4连接S3的f0/11被选举为根端口。预期结果：配置S3的网桥优先级为8192，使S1、S2、S3、S4网桥优先级分别为4096、默认（32768）、8192、默认（32768）时，S4连接S3的f0/11被选举为根端口。表4.2.6 各交换机网桥ID值网桥优先级MACS14096

22、00d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS38192001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744表4.2.7 各交换机RootCost值RootCostS10S2200000S3200000S4400000表4.2.8 S4上端口cost值CostS2 f0/11400000S2 f0/25400000表4.2.9 预期S4各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S4NF0/11NAF0/25测试过程：步骤1：S3上生成树优先级配置为8192S3(config)#spanning-tree priority 8192步骤2：查看

23、S4上STP树信息摘要S4#sh spanning-tree summary Spanning tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 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 32768 Address 001a.a90b.a744 Hello Time 2 sec Forward

24、 Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/25 Altn BLK 200000 128 P2p False Fa0/11 Root LEN 200000 128 P2p False/以上显示该交换机各个接口的状态测试结果：S4的f0/11被选举为根端口。表4.2.10 实测S4各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S4NF0/11NAF0/25结果分析：选举根端口时，首先比较到根网桥的开销。S1和S4之间的两条链路开销是相同的，到根网桥的路径

25、开销是以路径中所有链路的带宽为基础而累加的总路径开销。S4的f0/11到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost)+200000(100M带宽Cost)+0（根桥的RootCost）。S2的f0/25到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost)+200000(100M带宽Cost)+0（根桥的RootCost）。然后，比较发送者网桥ID。发送者网桥网桥优先级MACS2默认（32768）001a.a946.e50fS38192001a.a97e.04b3因为，S3的网桥优先级8192小于S2的网桥优先级32768，也即S3的发送者网桥ID优先级更高，所以与S3连接的S

26、4的f0/11被选举为根端口。测试用例3测试目的：最低发送者端口优先级的根端口选举测试用例描述： S1和S2的f0/3口speed都恢复为自协商，设置S1的f0/47的端口优先级为16时，S2的f0/47被选举为根端口。预期结果：S1和S2的f0/3口speed都恢复为自协商，设置S1的f0/47的端口优先级为16时，S2的f0/47被选举为根端口。表4.2.11 各交换机网桥ID值网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34S2默认（32768）001a.a946.e50fS38192001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744表4.2.12 各

27、交换机RootCost值RootCostS10S2200000S3200000S4400000表4.2.13 S1上端口优先级PrioS1 f0/3默认（128）S1 f0/4716表4.2.14 预期S2各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S2NF0/47F0/25F0/3测试过程：步骤1：S1和S2的f0/3口speed都恢复为自协商S1(config)#int fa 0/3S1(config-if-FastEthernet 0/3)#speed autoS2(config)#int fa 0/3S2(config-if-FastEthernet 0/3)#speed auto步骤2：配置S

28、1的f0/47的端口优先级为16S1(config-if-FastEthernet 0/47)#spanning-tree port-priority 16步骤3：查看S2上STP树信息摘要S2#sh spanning-tree summary Spanning tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 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

29、址可以确定S1是根桥。 Bridge ID Priority 32768 Address 001a.a946.e50f Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Root FWD 200000 128 P2p False Fa0/25 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/3 Altn BLK 200000 128 P2p False/以上显示该交换机各个

30、接口的状态测试结果：S2的f0/47被选举为根端口。表4.2.15 实测S2各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S2NF0/47F0/25F0/3结果分析：选举根端口时，首先比较到根网桥的开销。S1和S2之间的两条链路开销是相同的，到根网桥的路径开销是以路径中所有链路的带宽为基础而累加的总路径开销。S2的f0/3到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost) +0（根桥的RootCost）。S2的f0/47到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost) +0（根桥的RootCost）。然后，比较发送者网桥ID。发送者网桥网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa

31、34接着，比较发送者端口优先级。PrioS1 f0/3默认（128）S1 f0/4716因为，S1的f0/47端口优先级16小于S2的f/3端口优先级128，也即S1的f0/47端口ID优先级更高，所以S2的f0/47被选举为根端口。测试用例4测试目的：最低发送者端口序列号（例：f0/3比f0/47优先级高）的根端口选举测试用例描述： 恢复S1的f0/47的端口优先级为默认的128时，S2的f0/3被选举为根端口。预期结果：恢复S1的f0/47的端口优先级为默认的128时，S2的f0/3被选举为根端口。表4.2.16 各交换机网桥ID值网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34S

32、2默认（32768）001a.a946.e50fS38192001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744表4.2.17 各交换机RootCost值RootCostS10S2200000S3200000S4400000表4.2.18 S1上端口优先级PrioS1 f0/3默认（128）S1 f0/47默认（128）表4.2.19 S1上端口序列号端口序列号S1 f0/30/3(序列号更小)S1 f0/470/47表4.2.20 预期S2各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S2NF0/3F0/25F0/47测试过程：步骤1: 恢复S1的f0/47的端口优先级为默认的

33、128S1(config-if-FastEthernet 0/47)#spanning-tree port-priority 128步骤2：查看S2上STP树信息摘要S2#sh spanning-tree summary Spanning tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 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。

34、Bridge ID Priority 32768 Address 001a.a946.e50f Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Altn BLK 200000 128 P2p False Fa0/25 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/3 Root FWD 200000 128 P2p False/以上显示该交换机各个接口的状态测试结果：S2

35、的f0/3被选举为根端口。表4.2.21 实测S2各端口角色根桥根端口指定端口阻断口S2NF0/3F0/25F0/47结果分析：选举根端口时，首先比较到根网桥的开销。S1和S2之间的两条链路开销是相同的，到根网桥的路径开销是以路径中所有链路的带宽为基础而累加的总路径开销。S2的f0/3到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost) +0（根桥的RootCost）。S2的f0/47到S1的总路径开销为：200000(100M带宽Cost) +0（根桥的RootCost）。然后，比较发送者网桥ID。发送者网桥网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34接着，比较发送者端口优

36、先级。PrioS1 f0/3默认（128）S1 f0/47默认（128）最后，比较发送者端口序列号。端口序列号S1 f0/30/3(序列号更小)S1 f0/470/47因为，S1的f0/3端口序列号0/3小于S1的f0/47端口序列号0/47，也即S1的f0/3端口ID优先级更高，所以S2的f0/3被选举为根端口。4.3 选举指定端口指定端口: 每个LAN通过该口连接到根桥选举指定端口时，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）最低的根路径代价本实验中各种以太网类型的cost如下：100M: 200,000

37、10M: 100 2,000,000（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） 读者可通过图9的STP选择指定端口实例来形象的理解STP选举指定端口的过程。图9：STP选择指定端口实例测试用例1测试目的：指定端口选举测试用例描述： S3网桥优先级设置为默认（32768）时，各网桥指定端口的选举。预期结果：S3网桥优先级设置为默认（32768）时，预期各网桥指定端口如表4.3.2。表4.3.1 网桥ID值网桥优先级MACS1409600d0.f8bb.aa34S2

38、默认（32768）001a.a946.e50fS3默认（32768）001a.a97e.04b3S4默认（32768）001a.a90b.a744表4.3.2 预期各网桥指定端口指定端口S1F0/3;f0/24;f0/47S2F0/25S3F0/11S4NA测试过程:步骤1：S3网桥优先级设置为默认（32768）S3 (config)#spanning-treeS3(config)#spanning-tree priority 32768 步骤2：查看S1上STP树信息摘要实测结果：S1(config)#sh spanning-tree summary Spanning tree enable

39、d protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 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 00d0.f8bb.aa34 Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts

40、Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/24 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/3 Desg FWD 200000 128 P2p False /以上显示该交换机各个接口的状态步骤3：查看S2上STP树信息摘要S2#sh spanning-tree summary Spanning tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 this bridge i

41、s 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 32768 Address 001a.a946.e50f Hello Time 2 sec Forward Delay 15 sec Max Age 20 sec/以上显示该交换机的桥IDInterface Role Sts Cost Prio Type OperEdge- - - - - - -Fa0/47 Altn BLK 200000 128 P2p False

42、 Fa0/25 Desg FWD 200000 128 P2p False Fa0/3 Root FWD 200000 128 P2p False/以上显示该交换机各个接口的状态步骤4：查看S3上STP树信息摘要S3(config)#sh spanning-tree summary Spanning tree enabled protocol stp Root ID Priority 4096 Address 00d0.f8bb.aa34 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，