学习笔记——交换——STP（生成树）基本概念

三、基本概念

1、桥ID/网桥ID (Bridege ID，BID)

每一台运行STP的交换机都拥有一个唯一的桥ID(BID)，BID(Bridge ID/桥ID)。在STP里我们使用不同的桥ID标识不同的交换机。

                  

(2)BID(桥ID)组成

BID(桥ID)组成(8个字节)：由16位(2字节)的桥优先级和48位(2字节)的MAC地址构成。(上右图)

1)桥优先级(Bridge Priority,BP)的值可以修改，但是修改值必须为4096的倍数。优先级部分中低12位用来标识VLAN信息，高4位才是真正优先级。(上右边图)

优先级范围：取值范围是0~65535，为4096倍数，越小越优先。优先级默认32768(0x8000)。

2)桥的MAC地址：通常是交换机默认VLAN1的MAC地址。一个桥有多个转发端口，每个端口都有一个MAC地址，端口编号最小的那个端口的MAC地址作为整个桥的MAC地址，越小越优先。

MAC地址的长度是48比特(6字节)，48位二进制数，12位16进制数组成，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f。从左至右，逐位比较。

比如：00:01:10:00:11:11 和00:10:00:00:00:00前者比后者要小。如果比较位相同，则往后推一位再比较，最小的即为MAC地址最小。

2、根桥(Root Bridge，RB)

根桥是一个生成树(STP)交换网络中的"树根"。具有最小桥ID的交换机是根桥。树形的网络结构必须有树根，于是STP引入了根桥(Root Bridge)概念。(下左图)

根桥(Root Bridge) 在STP中，根桥是整个网络的起点，其他所有交换机都会尝试通过最直接的路径连接到根桥，所有数据包的旅行都是从这里开始的。

根桥设备上没有根端口。根桥上的接口,都是指定端口(DP：Designated Ports)。

(2)树根主要作用

是在一个交换网络中计算出一棵无环的STP树。

在一个交换网络中，有且只能有一个根桥(根交换机)，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。

(3)优先级

交换机的桥优先级越高，才有可能成为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。在STP网络中，BID(桥ID)最小的设备会被选举为根桥。

(上图)在该网络中选举根桥，首先比较三台交换机的桥优先级，桥优先级都为4096，再比较三台交换机的MAC地址，谁小谁优先，最终选择SW1为根桥。

3、非根桥

非根桥：除了根桥，其他的交换都是非根桥。这些非根桥之间可以互相通信，但是它们都要遵循从根桥出发的规则。

4、端口/接口ID(Port ID，PID)

运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID(Port ID)，端口ID可以用来确定端口角色，标识每个端口。端口ID(PID)就是端口编号 例如e0/0/5，ID就是5。

主要作用：在特定场景下选举指定接口。

(1) PID(端口ID)组成

端口ID(PID)(2个字节)=优先级(1个字节).端口索引号(1个字节)

为了避免端口索引号不够用，把优先级中的低4位保留用于端口索引号，一般取值为0000。高4位优先级默认二进制取值为1000。端口索引号是端口在交换机上的唯一编号。

(2) PID优先级(Port Priority)

数值范围从0到240，缺省情况下(默认值)，端口的优先级为128，步长为16，即取值必须为16的整数倍。

在进行比较时，先比较端口优先级，值越小端口的优先级就越高。在优先级相同时，再比较端口编号，编号小的端口优先。

通常情况下，端口编号无法改变，用户可以根据实际需要，通过命令修改该优先级。通过设置端口优先级来影响生成树的选路。

注意：最终如果收到的BPDU报文所有参数都一样，此时交换机会比较本端接口ID(PID)。

5、开销(Cost)

每一个激活了STP的接口都维护着一个开销(Cost)值。接口带宽越大，则开销(Cost)值越小。可以通过命令调整接口的开销(Cost)。

(2)开销(Cost)计算方法

接口开销(Cost)是已经激活了STP的接口所维护的一个开销值，该值存在默认值，与接口的速率有关联、工作模式，并且交换机设备使用不同的算法时，相同的接口速率对应不同的开销值。

(4)本地路径开销/端口开销(Port Cost)

本地路径开销/端口开销：指从当前交换机到连接的设备(比如终端设备)之间的路径开销。

特点：

(1)本地路径开销就是端口开销，交换机的每个端口都有一个端口开销(Port Cost)参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下，端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。

(2)本地路径开销是路径开销中的一个组成部分，它代表了到达某个设备的成本。

接口开销主要作用：计算根路径开销，就是到达根的开销。

(3)路径开销(Path Cost)

路径开销(Path Cost)：从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和(即BPDU的入方向端口)。

特点：

(1) 路径开销决定了整个网络中每条可能路径的成本。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，这就是路径开销。通常，直接连接的路径(比如根端口)开销较低，而需要经过多个中间节点的路径开销较高。

(2)交换机的每个端口都有一个端口开销(Port Cost)参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认的开销值取决于链路的带宽，带宽越大，开销越小。开销值越小，越可能被选为指定端口的路径。

例如：IEEE标准的开销，链路速度为10Gbps开销为2，速度为100Mbps时开销为19，速度为10Mbps时候开销为100。

(5)根路径开销(Root Path Cost，RPC)

STP交换机每一个端口都对应一个开销值，这个值表示数据通过端口发送时的开销，这个值与端口带宽有关，带宽越高，开销值越小。

对于端口开销值的定义有不同的标准，通常设备默认使用IEEE 802.1t中定义的开销值，同时还支持其它标准，以便兼容不同厂家的设备。

根路径开销(Root Path Cost，RPC)：非根桥到达根桥可能有多条路径，每条路径都有一个总开销值，被称为RPC(根路径开销)。

STP不会计算入端口的开销，只在数据通过端口发出时，才计算这个端口的开销。对于根桥来说，根路径开销是0。

即累计根路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中累计根路径开销字段的值，加上该端口本身的路径开销即为累计根路径开销。

  

(上左图)SW3从GE0/0/1接口到达根桥的RPC，等于接口1的Cost加上接口2的Cost。

(上右图)s2中eth0/0/1端口的根路径开销，就是20+18=38,eth0/0/2端口的根路径开销就是39.所以0/0/1是根端口。

特点：

    (1) 根路径开销这个值越小，说明到达根桥的路径越优。

    (2) 根路径开销最终的目标，是从任何端口到根桥的最短路径的总成本。

根路径开销是根据交换机之间的网段来说的，本地路径的开销也叫端口开销是针对本地的物理链路来说的相关的IETF的规定为

6、端口角色分类

在STP中，端口角色共有三种分别为：根端口RP(Root Port)、指定端口DP(Designated Port)、阻塞端口AP(Alternate Port)。

注：以上三种角色都是在非根桥设备上的概念，它们是用来确保网络中的数据包能够通过最优路径传输，同时避免环路的产生。

(1)根端口(Root Port，RP)

根端口(Root Port)： 每个非根桥都有且只有一个根端口，但它并不一定是用来与根桥直接连接的端口，而是用来确定到达根桥的最短路径的端口。

在一个非根桥设备上，根端口是所有到达根桥路径中，路径成本最低的那个端口。如果这个端口的路径，不是直接连接到根桥，而是通过其他交换机连接到根桥，那么它仍然是该非根桥设备上的根端口。

1)根端口选举

如果有多条链路到根桥，就通过检查每条链路的带宽来决定端口的开销，开销最低的端口就成为根端口。

如果多条链路的开销相同，就使用桥ID小的那个桥。

如果多条链路来自同一设备，就使用端口号最低的那条链路。

2)根端口的作用

在非根桥上，根端口是选择用来接收来自距离根桥最近的路径上的数据包的端口。

每个非根桥都会有一个根端口，它通过比较到达根桥的路径成本来确定，根路径开销最小者，就是根端口。

3)根端口与其他端口的关系

根桥的所有端口都是指定端口，指定端口被标记为转发端口。

非根交换机的根端口RP,每个非根交换机有且只有一个RP。

既非根端口又非指定端口的为阻塞端口AP。

(2)指定端口(Designated Port，DP)

指定端口(Designated Port)：在每个连接点(比如两个交换机之间的连接)，会有一条被指定的道路作为主要通道，这条道路就是指定端口。它负责在这个连接点上转发数据包。

(下左图)Device B和Device C与LAN直接相连。如果Device A通过Port A1向Device B转发BPDU，则Device B的指定桥就是Device A，指定端口就是Device A上的Port A1；如果Device B负责向LAN转发BPDU，则LAN的指定桥就是Device B，指定端口就是Device B上的Port B2。

1)指定端口的特性 

(1)根桥上每个端口都是指定端口，非根桥上需要转发数据的端口，也是指定端口。

(2)只有非根桥设备上的端口会被选为指定端口。桥ID较小的交换机的端口当选为指定端口。

(3)并不是每个非根桥设备上都有一个指定端口，而是每个局域网段中只有一个指定端口，由STP协议根据一定的规则选举出来。

2)指定端口的作用

是在网络中实现无环路的传输，避免广播风暴和网络瘫痪。

3)指定端口的选举过程 

在STP中，指定端口的选举过程是通过比较各个端口的路径开销(Path Cost)和发送方的桥ID(Bridge ID)来进行的。

具体来说，首先会在每个物理网段上选举出一个根端口(Root Port)，然后在每个网段上选举出一个指定端口。

根端口是连接到根桥的链路所在的端口，或者到根桥的路径最短的端口。指定端口则是从根端口开始，沿着两个不同方向的端口到达根桥，累计途经的带宽开销，开销最小的那个端口。

(3)候补/预备端口(Alernate Port，AP)

预备端口(Alternate)：是指定端口的“替补”当指定端口出现问题时预备端口就会“上场”。

如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口，预备端口将被阻塞。

每个非根桥设备上可以有一个或多个预备端口，它们是备用的端口，用于在指定端口或根端口出现问题时接管其职责。并不是每个非根桥设备上只有一个预备端口，而是根据需要可以有多个预备端口，它们都处于待命状态，直到被激活。

1)预备端口的主要作用

在网络拓扑发生变化时，参与选举新的根端口和指定端口的过程。这样做可以确保网络中的冗余链路不会形成环路，从而避免了广播风暴和MAC地址表震荡等问题。

2)预备端口的选举 

当网络拓扑发生变化时，预备端口会参与选举新的根端口和指定端口的过程。

选举的原则是，根端口是到达根桥路径最优的端口，而指定端口是发送/转发BPDU报文的端口。预备端口会根据根路径开销、对端BridgeID、对端PortID和本端PortID等因素进行比较，选出最佳的根端口和指定端口。

```

  根桥 (Root Bridge)

    |

    | (路径开销)

    |

  非根桥 (Non-Root Bridge) -- 根端口 (Root Port)

    |

    | (本地路径开销)

    |

  指定端口 (Designated Port) -- 预备端口 (Alternate Port)

    |

    | (路径开销)

    |

  非根桥 (Non-Root Bridge) -- 指定端口 (Designated Port)

```

(4)端口不同

三种端口的异同如下：

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