STP原理及选举过程.docx
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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，SpanningTreeProtocol）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（BridgeProtocolDataUnit）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
带宽
IEEE802.1d
IEEE802.1t
10Mbps
100
100Mbps
19
200000
1000Mbps
4
20000
10Gbps
2
2000
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:
20000010M:
1002000000
（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。
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4.1.1网桥ID值
网桥优先级
MAC
S1
4096
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
默认（32768）
001a.a97e.04b3
S4
默认（32768）
001a.a90b.a744
表4.1.2预期根桥及各端口角色
根桥
S1
Y
S2
N
S3
N
S4
N
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-treemodestp
S1（config）#spanning-treepriority4096
S2（config）#spanning-tree
S2（config）#spanning-treemodestp
S3（config）#spanning-tree
S3（config）#spanning-treemodestp
S4（config）#spanning-tree
S4（config）#spanning-treemodestp
步骤2：
查看S1上STP树信息摘要
S1（config）#shspanning-treesummary
Spanningtreeenabledprotocolstp
RootIDPriority4096
Address00d0.f8bb.aa34
thisbridgeisroot
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//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。
BridgeIDPriority4096
Address00d0.f8bb.aa34
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//以上显示该交换机的桥ID
InterfaceRoleStsCostPrioTypeOperEdge
-------------------------------------------------------------
Fa0/47DesgFWD200000128P2pFalse
Fa0/24DesgFWD200000128P2pFalse
Fa0/3DesgFWD200000128P2pFalse
//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
MAC
S1
4096
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
默认（32768）
001a.a97e.04b3
S4
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
MAC
S1
默认（32768）
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
默认（32768）
001a.a97e.04b3
S4
默认（32768）
001a.a90b.a744（MAC最小）
表4.1.4预期根桥及各端口角色
根桥
S1
N
S2
N
S3
N
S4
Y
测试过程：
步骤1：
配置S1网桥优先级为32768
S1（config）#spanning-treepriority32768
步骤2：
查看S1上STP树信息摘要
S1（config）#shspanning-treesummary
Spanningtreeenabledprotocolstp
RootIDPriority32768
Address001a.a90b.a744
thisbridgeisroot
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//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。
BridgeIDPriority32768
Address00d0.f8bb.aa34
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//以上显示该交换机的桥ID
InterfaceRoleStsCostPrioTypeOperEdge
-------------------------------------------------------------
Fa0/47AltnBLK200000128P2pFalse
Fa0/24AltnBLK200000128P2pFalse
Fa0/3RootBLK200000128P2pFalse
//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
MAC
S1
默认（32768）
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
默认（32768）
001a.a97e.04b3
S4
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:
20000010M:
1002000000
（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
MAC
S1
4096
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
默认（32768）
001a.a97e.04b3
S4
默认（32768）
001a.a90b.a744
表4.2.2S2上端口cost值
链路带宽
Cost
S2f0/3
10M
S2f0/47
100M
200000
表4.2.3各交换机RootCost值
RootCost
S1
0
S2
200000（200000+0）
S3
200000（200000+0）
S4
400000（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
S2
N
F0/47
F0/25
F0/3
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-treepriority4096
S1（config-if-FastEthernet0/47）#intfa0/3
S1（config-if-FastEthernet0/3）#speed10
S2（config-if-FastEthernet0/47）#intfa0/3
S2（config-if-FastEthernet0/3）#speed10
步骤2：
查看S2上STP树信息摘要
S2#shspanning-treesummary
Spanningtreeenabledprotocolstp
RootIDPriority4096
Address00d0.f8bb.aa34
thisbridgeisroot
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//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。
BridgeIDPriority32768
Address001a.a946.e50f
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//以上显示该交换机的桥ID
InterfaceRoleStsCostPrioTypeOperEdge
-------------------------------------------------------------
Fa0/47RootFWD200000128P2pFalse
Fa0/25DesgFWD200000128P2pFalse
Fa0/3AltnBLK2000000128P2pFalse
//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
S2
N
F0/47
F0/25
F0/3
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
MAC
S1
4096
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
8192
001a.a97e.04b3
S4
默认（32768）
001a.a90b.a744
表4.2.7各交换机RootCost值
RootCost
S1
0
S2
200000
S3
200000
S4
400000
表4.2.8S4上端口cost值
Cost
S2f0/11
400000
S2f0/25
400000
表4.2.9预期S4各端口角色
根桥
根端口
指定端口
阻断口
S4
N
F0/11
NA
F0/25
测试过程：
步骤1：
S3上生成树优先级配置为8192
S3（config）#spanning-treepriority8192
步骤2：
查看S4上STP树信息摘要
S4#shspanning-treesummary
Spanningtreeenabledprotocolstp
RootIDPriority4096
Address00d0.f8bb.aa34
thisbridgeisroot
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//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。
BridgeIDPriority32768
Address001a.a90b.a744
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//以上显示该交换机的桥ID
InterfaceRoleStsCostPrioTypeOperEdge
-------------------------------------------------------------
Fa0/25AltnBLK200000128P2pFalse
Fa0/11RootLEN200000128P2pFalse
//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
S4
N
F0/11
NA
F0/25
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
MAC
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
8192
001a.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S4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
MAC
S1
4096
00d0.f8bb.aa34
S2
默认（32768）
001a.a946.e50f
S3
8192
001a.a97e.04b3
S4
默认（32768）
001a.a90b.a744
表4.2.12各交换机RootCost值
RootCost
S1
0
S2
200000
S3
200000
S4
400000
表4.2.13S1上端口优先级
Prio
S1f0/3
默认（128）
S1f0/47
16
表4.2.14预期S2各端口角色
根桥
根端口
指定端口
阻断口
S2
N
F0/47
F0/25
F0/3
测试过程：
步骤1：
S1和S2的f0/3口speed都恢复为自协商
S1（config）#intfa0/3
S1（config-if-FastEthernet0/3）#speedauto
S2（config）#intfa0/3
S2（config-if-FastEthernet0/3）#speedauto
步骤2：
配置S1的f0/47的端口优先级为16
S1（config-if-FastEthernet0/47）#spanning-treeport-priority16
步骤3：
查看S2上STP树信息摘要
S2#shspanning-treesummary
Spanningtreeenabledprotocolstp
RootIDPriority4096
Address00d0.f8bb.aa34
thisbridgeisroot
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//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。
BridgeIDPriority32768
Address001a.a946.e50f
HelloTime2secForwardDelay15secMaxAge20sec
//以上显示该交换机的桥ID
InterfaceRoleStsCostPrioTypeOperEdge
------------------------------------------------------------
升级会员 