STP协议解析

引言：交换机又名网桥，在一个桥接的局域网里，为了增强可靠性，通常要建立一个冗余的路径，网段会用冗余的网桥连接。但是，由于网桥不隔离广播，桥环路对于一个局域网是致命的。
STP协议简介
STP-Spanning Tree Protocol（生成树协议）
生成树协议是一种桥嵌套协议，在IEEE 802.1d规范里定义，可以用来消除桥环路。
实际是逻辑上断开环路，防止二层网络的广播风暴的产生。当线路出现故障，断开的接口被激活，恢复通信，起备份线路的作用。
STP的算法
它的工作原理是这样的：
生成树协议定义了一个数据包，叫做桥协议数据单元BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。网桥用BPDU来相互通信，并用BPDU的相关机能来动态选择根桥和备份桥。但是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在，所以桥回路被消除。
在一个生成树环境里，桥不会立即开始转发功能，它们必须首先选择一个桥为根桥，然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥ID的将变成一个根桥，全部的生成树网络里面只有一个根桥。根桥的主要职责是定期发送配置信息，然后这种配置信息将会被所有的指定桥发送。这在生成树网络里面是一种机制，一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。
当选定根桥之后，在转发数据包之前，它们必须决定每一个网段的指定桥，运用生成树的这种算法，根桥每隔2秒钟从它所有的端口发送BPDU包，BPDU包被所有的桥从它们的根端口复制过来，根端口是接根桥的那些桥端口。BPDU包括的信息叫做端口的COST，网络管理员分配端口的COST到所有的桥端口，当根桥发送BPDU的时候，根桥设置它的端口值为零。然后沿着这条路径，下一个桥增加它的配置端口COST为一个值，这个值是它接收和转发数据包到下一个网段的值。
这样每一个桥都增加它的端口的COST值为它所接收的BPDU的包的COST值，所有的桥都检测它们的端口的COST值，拥有最低端口的COST值的桥就变为了指定的桥。
拥有比较高端口COST值的桥置它的端口进入阻塞状态，变为了备份桥。在阻塞状态，一个桥停止了转发，但是它会继续接收和处理BPDU数据包。
STP将一个环形网络生成无环拓朴的步骤：
选择根网桥（Root Bridge）
选择根端口（Root Ports）
选择指定端口（Designated Ports）

选择根网桥的依据：
依据：网桥ID（BID）
网桥ID是唯一的，交换机之间选择BID值最小的交换机作为网络中的根网桥。桥ID=桥优先级（默认值为32768）+桥MAC
选择根端口的依据
在非根网桥上选择一个到根网桥最近的端口作为根端口；
选择根端口的依据是：
到达根路径成本最低 ；
直连（Sender）的网桥ID最小；
端口（Sender）ID最小；
根路径成本
根路径成本（开销）－是网桥到根网桥的路径上所有链路的成本之和，默认100M自适应的路径开销为19
选择指定端口的依据
在每个网段上，选择1个指定端口，根桥上的端口全是指定端口
非根桥上的指定端口：
到达根路径成本最低
端口所在的网桥的ID值较小
端口ID值较小
记住一点：
可以看到选择根端口和指定端口依据相近，但有区别：
选举指定端口，比较的是发送的BPDU
选举根端口，比较的是接收的BPDU
非指定端口：当把根网桥、根端口和指定端口选举出来之后，最后一个没有被选举的端口就是非指定端口。
下面我们来看几个例子：



按照我们前面的分析：
第一步：选根桥，很明显SW3的桥ID最小，即根桥。
第二步：在非根桥（SW1，SW2，SW4）上选择根端口。
SW2和SW4的根端口比较好选，首先比较的是接受到达根桥BPDU的开销，我们假设都是100M网络，那每经过一个转发接口时，开销加上19，且根桥发出时开销值为0。开销值分别是f0/3(0), f0/6(0)；然后是SW1，我们发现SW1上两个端口接收到的BPDU开销值相同，所以接下来比较的是sender BID,SW4的BID小于SW2的BID，故SW1的f0/8端口是根端口。
第三步：每个网段选择一个指定端口。
在SW1和SW2连接的网段上选择一个指定端口。依据参考前面说明。
首先比较的是转发BPDU的开销值，.那么SW2 F0/2接口的转发BPDU开销是19，而SW1 F0/1接口的转发BPDU开销是38，所以SW2的F0/2是指定端口。剩下的F0/1接口就是阻塞端口。
再来看一个例子：



2台交换机组成冗余拓扑：
第一步：选根桥，SW3
第二步：非根桥上选根端口
首先比较的是接受BPDU的开销，SW4上F0/1和F0/7端口值相同，都是0；
接下来是sender BID,也相同，都是SW3的BID；
最后是sender PORT,显示表明F0/7的sender port较小是f0/1,所以它是指定端
口，剩下SW4的F0/1就是阻塞了。