让你彻底理解STP的各种角色选举

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8.2.1 生成树初始化阶段的角色选举

   网络中所有的桥设备在使能STP协议后，每一个桥设备都认为自己是根桥。此时每台设备仅仅收发配置BPDU，而不转发用户流量，所有的端口都处于Listening状态。所有桥设备通过交换配置BPDU后才进行根桥、根端口和指定端口的选举工作。

1.    根桥的选举

    “根桥的选举”就是在交换网络中所有运行STP协议的交换机上选举出一个唯一的根桥。“根桥”是STP生成树的最顶端交换设备，是STP生成树的“树根”。根桥的选举依据是各桥的配置BPDU报文中BID（桥ID）字段值，BID字段值最小的交换机将成为根桥。而桥配置BPDU报文中BID字段共有8个字节，即2个字节的桥优先级和6个字节的桥背板MAC，其中桥优先级的取值范围是0~65535，缺省值是32768。在进行BID比较时，先比较桥优先级，优先级值小的为根桥；当桥优先级值相等时，再比较桥的背板MAC地址，MAC地址小的为根桥。

在初始化过程中，根桥的选举要经历两个主要过程：一是每桥上确定自己的配置BPDU；二是在整个交换网络中通过各桥自己发送的配置BPDU进行比较选举整个交换网络中的根桥。

  l  桥配置BPDU的确定

    一开始每个桥都认为自己是根桥，所以在每个端口所发出的配置BPDU报文中，“根ID”字段都是用各自的BID，“根路径开销”字段值均为0，“发送者BID”字段是自己的BID，“发送端口PID”字段是发送该BPDU端口的端口ID。

    每个桥都向外发送自己的配置BPDU的同时也会收到其它桥发送的配置BPDU。但桥端口并不会对收到的所有配置BPDU都用来更新自己的配置BPDU，而是先会进行配置BPDU优先级比较。当端口收到的配置BPDU比本端口的配置BPDU的优先级低时，将丢弃所收到的这个配置BPDU，仍保留自己原来的配置BPDU，否则桥将收到的配置BPDU作为该端口的配置BPDU。然后，桥再将自己所有端口的配置BPDU进行比较，选出最优的BPDU作为本桥的配置BPDU。有关BPDU优先级的比较参见本章8.1.4节。

  l  根桥的确定

    每个桥的最优配置BPDU确定后，以后各桥间交换的配置BPDU都是各自最优的配置BPDU了。如图8-10所示，用{}标注的四元组表示了由根桥BID（图中以S1_MAC和S2_MAC代表两台设备的BID）、累计根路径开销、发送者BID（SBID）、发送端口PID构成的有序组。配置BPDU会按照Hello Timer规定的时间间隔来发送，默认的时间是2秒。

图8-10 初始信息交互过程示例

      一旦某个端口收到比自己优的配置BPDU报文，此端口就提取该配置BPDU报文中的某些信息更新自己的信息。该端口存储更新后的配置BPDU报文后，并立即停止发送自己的配置BPDU报文。在图中，如果S2的端口B由于接收到了来自S1的更好的配置BPDU，从而认为此时S1是根桥，然后S2的其他端口再发送BPDU的时候，在根桥ID字段里面填充的就是S1_BID了。此过程不断交互进行，直到所有交换设备的所有端口都认为根桥是相同的，说明根桥已经选择完毕。

   在如图8-11所示的交换网络中列出了S1、S2和S3的桥优先级和桥MAC地址。通过比较发现三台交换机的桥优先级都一样，均为缺省的32768，这时就要进一步比较各交换机的MAC地址，通过比较可以发现S1的MAC地址最小，所以最终S1将选举作为根桥。

图8-11 根桥选举示例

2.    根端口的选举

    “根端口的选举”就是在所有非根桥上的不同端口之间选举出一个到根桥最近的端口。当然这个“最近”的衡量标准不是根据到达根桥所经过的桥数，而是根据端口到根桥的累计根路径开销最小来判定的。实质上是非根桥上接收到最优配置BPDU的那个端口即为根端口。每个非根桥设备都要选择一个根端口，根端口对于一个设备来说有且只有一个。

   累计根路径开销的计算方法是累加从端口到达根桥所路经的各端口（除根桥上的指定端口外）的各段链路的路径开销值（也称链路开销值）。这里要特别注意的是，同一交换机上不同端口之间的路径开销值为0。如果同一桥上有两个以上的端口计算得到的累计根路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。

         在如图8-12所示的交换网络中，S1为根桥，就时就需要选举S2和S3非根桥的根端口。S2到达根桥S1有两条路径：一条是通过port5端口直接到达S1的port1端口，其累计根路径开销很容易得出，就是port5端口自身的路径开销值，即图中标的是19。另一条是从port6端口出发，经过S3的port3和port4端口，到达根桥S1的port2端口，其累计根路径开销就是port6、port3和port4端口的路径开销值之和。从图中的标注可以知道，port6端口的路径开销值为也为19，但因为port3到port4端口在同一交换机S3上，所以路port3到port4端口的路径开销值为0，port4到S1的port2端口的路径开销值也为19，这样port6端口累计根路径开销值就是19+0+19=38，很明显高于port5端口的累计根路开销值19，所以port5端口最终选举为S2的根端口。用同样的方法可以得出S3桥上的根端口为port4。

图8-12 根端口选举示例

3.    指定端口的选举

        “指定端口的选举”是在每一个物理网段的不同端口之间选举出一个指定端口。“指定端口”与前面所说的“根端口”相对，它可以理解为离下游设备最近的端口，是本物理网段（这里的“网段”是指一个交换机端口所连接的所有设备）中唯一可以接收下游设备数据的端口。它是依次根据以下三项条件来判定的：

（1）某网段到根桥的路径开销最小。

（2）接收数据时发送方（也就是链路对端的桥）的桥ID最小

（3）发送方端口ID最小（端口ID有16位，它是由8位端口优先级和8位端口编号组成的，其中端口优先级的取值范围是0~240，缺省值是128，可以修改，但必须是16的倍数）。

      如图8-10所示，假定S1的MAC地址小于S2的MAC地址，则S1为根桥。根据上面的第一项指定端口判定原则可以得出S1的端口A会成为指定端口。在一个物理网段上拥有指定端口的设备被称作该网段的指定桥，由此可以得出图8-10所示的S1-S2间网段的指定桥是S1。

网络收敛后，只有指定端口和根端口可以处于转发状态。其他端口都是Blocking状态，不转发用户流量。根桥的所有端口都是指定端口（除根桥物理上存在环路）。

       现在再来看如图8-13所示交换网络中指定端口的选举。S1为根桥，这样很容易根据前面列出的指定端口判定条件中的第一项得出在S2-S1网段，以及S3-S1网段中的指定端口分别为S1的port1和port2端口。而在S3-S2网段中，由于S3和S2桥到达根桥的路径开销均为19，所以这里要比较前面提到的第二项条件，即发送方的桥ID（即图中标识的SBID）大小了。S3的port3的发送方的桥ID为32768.000-0C12-3457，而S2的port6的发送方的桥ID为32768.000-0C12-3458，经过比较发现S3的port3的发送方的桥ID更小，所以最终选举为S3-S2网段的提定端口。这样一来就可确定port6端口为阻塞端口了。

 

图8-13  指定端口选举示例

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