STP计算过程图解分析

STP选举过程：

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和确定工作。

BPDU优先级比较标准：
当同一个桥收到了多个不同的配置BPDU时，优先级高的BPDU则采用，其他的将被丢弃，假定有两条配置BPDUX和Y，则他们的比较顺序如下：

如果X的根桥ID小于Y的根桥ID，则X优于Y。
如果X和Y的根桥ID相同，但X的根路径开销小于Y，则X优于Y。
如果X和Y的根桥ID，以及路径开销都相同，但X的桥ID小于Y，则X优于Y。
如果X和Y的根桥、根路径开销以及桥ID都相同，但X的端口ID小于Y，则X优于Y。
如果以上4个方面都相同，那么如果X的接收端口ID小于Y，则X优于Y。

步骤一：选举根桥
“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。

1.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。

2.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。可以用四元组表示了由根桥BID、累计根路径开销、发送者BID、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。

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。

在如下图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。

步骤二：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，接收上行发送的报文。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。

在下图所示的交换网络中，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。

步骤三：确定指定端口和阻塞其他端口
默认情况下，各个交换机在初始状态都认为自己是根桥，所以自己的各个端口都为指定端口；指定端口也就是连接下行设备的端口，一个网段中仅有一个，负责向下行设备转发报文。

当一个网络中的交换机通过交互BPDU后，如果其不是根桥，仅有一部分能保持指定端口；其余的端口转化为根端口和阻塞端口。

哪些端口能继续保持指定端口：

某网段到根桥的路径开销最小。
接收数据时发送方（也就是链路对端的桥）的桥ID最小。
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）。

如下图所示。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（因为Cost为0）。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。

注意点：分步骤的目的是方便学习和理解，其实各个步骤按照选举设定的规则在同时进行。

初始状态：

为了方便讨论，我们将S1、S2和S3的优先级分别设置为0、1和2，S1与S2之间、S1与S3之间以及S2与S3之间链路的路径开销分别为5、10和4。

S1、S2、S3认为所有的接口都是指定接口，计算出自己的配置BPDU。

S1、S2和S3各个端口的初始配置BPDU分别为：
• S1的PortA1为{0，0，0，PortA1}，PortA2为{0，0，0，PortA2}。
• S2的PortB1为{1，0，1，PortB1}，PortB2为{1，0，1，PortB2}。
• S3的PortC1为{2，0，2，PortC1}，PortC2为{2，0，2，PortC2}。

第一轮BPDU交互：

S1、S2和S3通过各自端口发送各自的配置BPDU，且每一个网桥均认为自己为根，路径开销为0。

第一轮BPDU比较结果：

S1交互结果
• Port A1收到Port B1的配置消息{1，0，1，Port B1}，发现自己的配置消息{0，0，0，Port A1}更优，于是将其丢弃。
• Port A2收到Port C1的配置消息{2，0，2，Port C1}，发现自己的配置消息{0，0，0，Port A2}更优，于是将其丢弃。
• S1发现自己各端口的配置消息中的根桥和指定桥都是自己，仍然认为自己就是根桥，各端口的配置消息都不作任何修改，此后便周期性地向外发送配置消息。
• 比较后，各个端口的最优配置BPDU分别为portA1为{0，0，0，Port A1}，portA2为{0，0，0，Port A2}。
• 由于S1为根桥，所以该网桥上所有端口仍为指定端口。

S2交互结果
• Port B1收到Port A1的配置消息{0，0，0，Port A1}，发现其比自己的配置消息{1，0，1，Port B1}更优，于是更新自己的配置消息。
• Port B2收到Port C2的配置消息{2，0，2，Port C2}，发现自己的配置消息{1，0，1，Port B2}更优，于是将其丢弃。
• 比较后，各个端口的最优配置BPDU分别为portB1为{0，0，0，Port A1}，portB2为{1，0，1，Port B2}。
• 各个端口配置消息比较：

S2比较自己各端口的配置消息。比较时，5个要素是，RID，cost（注意更新），对方的BID，对方的PID，自己的PID，发现Port B1的配置消息最优，于是该端口被确定为根端口，其配置消息不变。
有了根端口后，就可以计算根路径开销了S2根据根端口的配置消息和路径开销，为Port B2计算出指定端口的配置消息{0，5，1，Port B2}，然后与Port B2本身的配置消息{1，0，1，Port B2}进行比较，发现计算出的配置消息更优，其配置消息也被替换为计算出的配置消息，并周期性地向外发送。

S3交互结果
• Port C1收到Port A2的配置消息{0，0，0，Port A2}，发现其比自己的配置消息{2，0，2，Port C1}更优，于是更新自己的配置消息。
• Port C2收到Port B2更新前的配置消息{1，0，1，Port B2}，发现其比自己的配置消息{2，0，2，Port C2}更优，于是更新自己的配置消息。
• 比较后，各个端口的最优配置BPDU分别为portC1为{0，0，0，Port A2}，portC2为{1，0，1，Port B2}。
• 各个端口配置消息比较：

DeviceC比较自己各端口的配置消息，比较时，5个要素是，RID，cost（注意更新），对方的BID，对方的PID，自己的PID，发现Port C1的配置消息最优，于是该端口被确定为根端口，其配置消息不变。
DeviceC根据根端口的配置消息和路径开销，为Port C2计算出指定端口的配置消息{0，10，2，Port C2}，然后与Port C2本身的配置消息{1，0，1，Port B2}进行比较，发现计算出的配置消息更优，Port 2仍然为指定端口，其配置消息也被替换为计算出的配置消息。

第二轮BPDU交换：

由于交换机S1为根桥，所以S1发送的配置BPDU
• 端口PortA1发送的配置BPDU为{0，0，0，Port A1}。
• 端口PortA2发送的配置BPDU为{0，0，0，Port A2}。

S2发送的配置BPDU
• 由于交换机S1为根桥，所以S2不再向S1发送配置BPDU。
• 端口PortB2发送的配置BPDU为{0，5，1，Port B2}。

S3发送的配置BPDU
• 由于交换机S1为根桥，所以S3不再向S1发送配置BPDU。
• 端口PortC2发送的配置BPDU为{0，10，2，Port C2}。

第二轮BPDU比较结果：

S2交互结果
• Port B1收到Port A1的配置消息{0，0，0，Port A1}，发现其比自己的配置消息{0，0，0，Port A1}相同，于是将其丢弃。
• Port B2收到Port C2的配置消息{0，10，2，Port C2}，发现自己的配置消息{0，5，1，Port B2}更优，于是将其丢弃。
• 比较后，各个端口的最优配置BPDU分别为portB1为{0，0，0，Port A1}，portB2为{0，5，1，Port B2}。
• 由于各个端口最优配置BPDU未发生变化，所以端口角色不变。

S3交互结果
• Port C1收到交换机A的配置BPDU{0,0,0,portA2}，和自己原有的BPDU一样，直接丢弃。
• Port C2收到交换机B发送的配置BDPU为{0,5,1,portB2}，与自己原有配置BPDU{0,10,2,portC2}进行比较，由于根桥ID相同，进而比较根路径开销（10>5），比较发现对端的更优，即更新为{0,5,1,portB2}
比较后，各个端口的最优配置BPDU分别为portC1为{0，0，0，Port A2}，portC2为{0，5，1，Port B2}。
• 各个端口配置消息比较：

S3比较Port C1的根路径开销10（收到的配置消息中的根路径开销0＋本端口所在链路的路径开销10）与Port C2的根路径开销9（收到的配置消息中的根路径开销5＋本端口所在链路的路径开销4），发现后者更小，因此Port C2的配置消息更优，于是Port C2被确定为根端口，其配置消息不变。
S3根据根端口的配置消息和路径开销，为Port C1计算出指定端口的配置消息{0，9，2，Port C1}，然后与Port C1本身的配置消息{0，0，0，Port A2}进行比较，发现本身的配置消息更优，于是Port C1被阻塞，其配置消息不变。从此，Port C1不再转发数据，直至有触发生成树计算的新情况出现，譬如S2与S3之间的链路down掉，或者20s没有收到对端的BPDU。

注意： 如果通过根端口BPUD为标准计算出的其余端口BPDU比原来的优，那个端口仍然为指定端口，如果没有原来的优，那么原来的端口进入阻塞状态。

补充：

发送者PID和接收者PID进行比较在这种情况下会运用到：

左侧拓扑描述：

根据STP根桥选举原则，很容易得出S1为根桥，接下来确定根端口、指定端口和阻塞端口。
S2从接口E0和E1接收到S1发送两条BPDU，分别为{0,0,0,E0}和{0,0,0,E1},该两个BPDU只有发送端口不同，根据比较原则，较小的发送端口胜出，所以E0为根端口，E1为阻塞端口。

右侧拓扑描述：

根据STP根桥选举原则，很容易得出S1为根桥，接下来确定根端口、指定端口和阻塞端口。
S2从接口E0和E1接收到S1发送两条BPDU，分别为{0,0,0,E0}和{0,0,0,E0},该两个BPDU优先级向量均相同，根据比较原则，只能比较接收端口的PID大小。经比较，接收端口E0较小，所以E0为根端口，E1为阻塞端口。

参考资料：华为HCIE培训资料；有错误的地方请指正。