生成樹協(xié)議將冗余鏈路自動切換為轉發(fā)狀態(tài)恢復網絡連通性

在組網中，很可能會出現環(huán)路或者稱冗余鏈路，為避免形成廣播風暴，需要一種方法來避免形成環(huán)路，并且在主鏈路故障中斷時候，可以將冗余鏈路自動切換為轉發(fā)狀態(tài)，以恢復網絡的連通性。生成樹協(xié)議（STP、RSTP、MSTP）就可以實現這樣的功能。

STP（802.1D，Spanning Tree Protocol，生成樹協(xié)議）

基本思想

將網絡的拓撲修剪為樹形拓撲，拓撲圖形狀與一棵樹相似，這樣就不會產生環(huán)路了。

在每個運行STP協(xié)議的設備上依據一定的準則選舉出一個樹根節(jié)點作為網絡中的根橋，其他節(jié)點為非樹根節(jié)點。

每一個非樹根節(jié)點，會選擇最優(yōu)的路徑和根橋相連，每個非樹根節(jié)點上位于最優(yōu)路徑的端口，為該非樹根節(jié)點的根端口。

如果非樹根節(jié)點存在冗余鏈路，則會對相應端口進行阻塞

基本概念介紹

根橋（Root Bridge）：是整個生成樹的根節(jié)點，所有網橋中優(yōu)先級最高的橋。

指定橋（Designate Bridge）：負責一個物理段（相對于兩個網橋而言是一個物理段）上數據轉發(fā)任務的橋。

根端口（Root Port）：指一個網橋上距離跟橋最近的端口。根橋上沒有根端口，只有非根橋上有且僅有一個根端口。

指定端口（Designate Port）：指定橋上的端口，就是用于轉發(fā)生成樹信息報文的端口。根橋上全是指定端口。

候補端口（Alternate Port）：用來為根端口或指定端口做備份的端口，即為最終需要阻塞的端口。

橋ID（Bridge ID）：每一個運行STP協(xié)議的網橋都會有一個橋ID，用于在網絡中唯一標識一個橋，由橋優(yōu)先級和橋MAC地址組成，橋優(yōu)先級占2字節(jié)，橋MAC地址占6個字節(jié)。橋優(yōu)先級只能是4096的整數倍，最大為61440，默認為32768。

路徑開銷（Path Cost）：STP中每條鏈路都具有開銷值，默認的開銷值取決于鏈路的帶寬，帶寬越大，開銷越小。例如IEEE標準的開銷，鏈路速度為10Gbps開銷為2，速度為100Mbps時開銷為19，速度為10Mbps時候開銷為100。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，橋協(xié)議數據單元）：用于網橋之間傳遞BPDU來交互協(xié)議信息。BPDU分為配置BPDU和TCN BPDU。配置BPDU用來進行生成樹的計算和維護生成樹拓撲的報文。TCN BPDU是當拓撲結構改變時候，用來通知相關橋設備網絡拓撲結構發(fā)生變化的報文。

BPDU報文分析

Protocol Identifier：固定為0x0000，表示是生成樹協(xié)議

Protocol Version Identifier：協(xié)議版本號，STP版本號為0x00

BPDU Type：配置BPDU類型為0x00，TCN BPDU類型為0x80

Flags：由8位組成，最低位為TC標志位，最高位為TCA標志位，其他6位保留。當拓撲結構變化時候，下游網橋將會從根端口發(fā)送TCN BPDU報文，TC標志位置為1，上游網橋收到后進行相應處理，回復配置BPDU報文，TCA標志位置為1.

Root Identifier：根橋ID，包含優(yōu)先級和MAC地址，標識網絡中的根橋。

Root Path Cost：根路徑開銷，指從發(fā)送該配置BPDU的網橋到根網橋的最小路徑開銷，是所有鏈路開銷的代數和。

Bridge Identifier：發(fā)送該配置BPDU的網橋ID，即該指定橋的ID。

Port Identifier：發(fā)送該配置BPDU的網橋的發(fā)送端口ID。

Message Age：從根橋生成配置BPDU開始，到當前時間為止配置BPDU的存活時間。

Max Age：配置BPDU存活的最大時間。

Hello Time：根橋生成并發(fā)送配置BPDU的周期，默認為2s

Forward Delay：配置BPDU傳播到全網的最大時延，默認為15s

接口狀態(tài)

當交換機的一個接口被激活后，該接口會從禁用狀態(tài)自動進入阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)的接口如果被選舉為根接口或者指定接口，那么它將從阻塞狀態(tài)進入偵聽狀態(tài)，并在偵聽狀態(tài)停留15s（轉發(fā)延遲時間），為了讓STP完成整個網絡的計算。15s后如果還是根接口或者是指定接口，就會進入學習狀態(tài)，因為此時交換機沒有學習到任何MAC地址，這個狀態(tài)也要停留15秒，之后才會變成轉發(fā)態(tài)。

計算過程

確定跟橋

每一個交換機啟動stp服務，都會認為自己是跟橋，并向外發(fā)送以自己為根橋的配置BPDU報文。

交換機接收到BPDU報文，會和自己的橋ID對比，橋ID由優(yōu)先級和mac地址組成，先比較優(yōu)先級，優(yōu)先級相同，再比較mac地址，值越小就會認為更優(yōu)。比如接收到BPDU報文的root id為8192-0000.0000.0001，自己的橋id為32768-0000.0000.0002，因為先比較優(yōu)先級，優(yōu)先級8192優(yōu)于32768，則認為自己不是根橋，就不發(fā)送認為自己是根橋的BPDU了，并通過接收到的BPDU報文更新自身的配置BPDU。直到網絡中所有的交換機都達成一致，認為某一個交換機為根橋，根橋的選舉結束，從而確認唯一根橋。

確定端口角色

當確認自己本身不是根橋的同時就開始確認端口角色了。

確定根端口

當一個交換機多個接口同時接收到了根橋發(fā)來的配置BPDU報文，會獲取Root Path Cost，也就是根路徑開銷，與接收端口的鏈路開銷相加，得到此端口到根橋的根路徑開銷，對比，根路徑開銷值最小的作為根端口。

如果根路徑開銷相同，對比BPDU報文中的Bridge Identifier，也就是發(fā)送該BPDU報文指定橋的ID，ID小的作為根端口。

如果指定橋ID也相同，則對比Port Identifier，發(fā)送口的端口ID，ID小的作為根端口

確定指定端口和Alternate備份端口

當確定根端口后，會將通過自己從根端口收到的BPDU報文計算生成的配置BPDU報文與非根端口接收到的配置BPDU進行比較，依次對比根路徑開銷、指定橋和端口id，自己計算產生的BPDU優(yōu)于接收到的，則將此接收到的端口設置為指定端口，否則設置為Alternate端口（即阻塞起來）。

拓撲結構發(fā)生改變時

當有端口斷開或新網橋加入時，拓撲發(fā)生了改變，就會使用到TCN BPDU報文，目的是讓STP能快速的收斂。

產生BPDU報文的條件：

網橋上有端口轉變?yōu)镕orwarding轉發(fā)狀態(tài)，且該網橋至少包含一個指定端口。

網橋上有端口從Forwarding狀態(tài)或Learning狀態(tài)轉變?yōu)锽locking狀態(tài)。

拓撲改變時候STP處理步驟：

會從該發(fā)生變化的交換機的根端口發(fā)送TCN BPDU報文

上游交換機收到TCN BPDU報文，會將下一個配置BPDU報文中的TCA置為1，發(fā)送給下游交換機，來確保通往根橋的鏈路有效性

重復1,2步驟，直到根橋交換機收到TCN BPDU報文，并將下一個配置BPDU報文中的TC置為1，發(fā)送給下游所有的交換機，各網橋收到TC置為1的配置BPDU報文后，會將MAC地址老化時間縮短為15秒

STP的不足

為避免環(huán)路，每一個端口在確認為根端口或指定端口后仍需要等待30s才能進入轉發(fā)狀態(tài)。

對于網絡中有大量主機時候，頻繁上下線會導致頻繁發(fā)送TCN BPDU報文，導致網橋MAC地址老化時間長期為15s。

RSTP（802.1W，Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成樹協(xié)議）

STP與RSTP區(qū)別概要

STP與RSTP的接口狀態(tài)對應關系

RSTP端口會在Discarding狀態(tài)完成角色的確定，當端口確定為根端口或指定端口后，經過Forward Delay時間會進入Learning狀態(tài)，比STP就少一個Forward Delay時間，并且有P/A快速機制，可以直接從Discarding直接到Forwarding狀態(tài)。不是根端口或指定端口就會維持Discarding狀態(tài)。

端口角色

根端口和指定端口角色的定義和STP相同，就不說了。

較STP新增了兩個端口概念，替代接口和備份接口。但同樣都是阻塞起來的，只是為了指定端口出故障時可以快速收斂。

替代接口（Alternate）

可以理解為根接口的備份接口，是由于收到了其他設備發(fā)送的BPDU且優(yōu)于自身所要發(fā)送的BPDU從而被阻塞的接口。當根端口進入阻塞狀態(tài)時，會選擇優(yōu)先級最高的替代接口作為新的根端口。當對端端口是Forwarding狀態(tài)，則可以立即進入轉發(fā)狀態(tài)。

備份接口（Backup）

一臺設備上收到了自己所發(fā)送的BPDU從而被阻塞的接口。

如圖，LSW2上的GE 0/0/3阻塞，因為是收到了LSW3的BPDU報文，形成了環(huán)路，且收到的BPDU報文比自己的優(yōu)，從而阻塞，就變成了替代接口。而LSW2上的GE 0/0/5，因為收到的是自己發(fā)送過來的BPDU報文且端口id較大被阻塞，從而變成備份接口。

BPDU報文

與STP BPDU相比較

Protocol Version Identifier為2

BPDU Type為0x02，表示為RST BPDU

BPDU flags使用全部的8位

在報文的最后增加了Versionl Length字段，值為0，表示本BPDU中不包含Versionl內容。

最高位和最低位TCA和TC與STP相同。Agreement（同意）及Proposal（提議）用于RSTP的P/A機制，會大大提高RSTP的收斂速度。Port Role（接口角色）兩個bit位，01表示根接口，10表示替代接口，11表示指定接口，00保留。Forwarding（轉發(fā)）和Learning（學習）用于表示該RST BPDU發(fā)送接口的接口狀態(tài)。

RSTP與STP不同，在網絡穩(wěn)定后，STP的非根橋之會轉發(fā)根橋發(fā)來的BPDU報文，而RSTP無論是非根橋還是根橋都會周期性的發(fā)送BPDU。

在STP中只有在指定端口收到低優(yōu)先級的配置BPDU時才會立即回應（發(fā)送自己計算的配置BPDU報文），阻塞狀態(tài)端口不會對低優(yōu)先級的配置BPDU做出回應。

在RSTP中，指定端口或阻塞狀態(tài)的端口收到低優(yōu)先級的RST BPDU，也可以立即對其做出回應。

P/A快速收斂機制

當網絡中增加新的鏈路或故障鏈路恢復時，鏈路兩端必有一個端口的角色是指定端口，在STP中，該指定端口需要等待30s才能進入Forwarding狀態(tài)。

P/A機制是指定端口可以通過與對端網橋進行一次握手，即可快速進入轉發(fā)狀態(tài)，無需任何定時器。

前提條件是必須是點到點的鏈路。

當新鏈路連接時候，鏈路兩端的端口初始都為指定端口并處于阻塞的狀態(tài)。

當指定端口處于Discarding和Learning狀態(tài)時，所發(fā)送的BPDU中的Proposal位將被置為1，端口的角色位11，是指定端口。（都是指定端口發(fā)的喲）

收到Proposal置位的RST BPDU報文后，交換機會判斷接收端口是否為根端口，如果是根端口，會進行同步過程，同步過程是阻塞除邊緣端口（直接與用戶終端相連，沒有連接到其他交換機或者網橋，一般需要手動配置為邊緣端口，可以忽略Forward Delay時間直接進入Forwarding狀態(tài)，無時延）之外的所有端口，為了消除本交換機產生環(huán)路的可能。

完成同步過程后，根端口進入轉發(fā)狀態(tài)并從根端口回發(fā)Agreement置為1的RST BPDU報文，內容復制收到的Proposal置為的RST BPDU報文，唯一不同的就是Flags字段的Agreement也置為1。

收到Agreement置1的BPDU報文后，該接口會立即進入轉發(fā)狀態(tài)。

同步過程阻塞的接口也會繼續(xù)往下進行這個過程。

如果指定端口發(fā)出Proposal置位的BPDU后沒有收到Agreement BPDU報文，則該端口需要等待30s（兩個延遲時間）才會進入轉發(fā)狀態(tài)。

拓撲改變處理

在STP中，端口變?yōu)镕orwarding狀態(tài)或從Forwarding變?yōu)锽locking狀態(tài)均會觸發(fā)拓撲改變處理過程，而RSTP只在非邊緣端口轉為Forwarding狀態(tài)時才會觸發(fā)處理過程。

當交換機由非邊緣端口轉變?yōu)镕orwarding狀態(tài)時，網橋會在兩倍的Hello Time時間內向根端口以及指定端口發(fā)送TC置位為1的RST BPDU，同時清除這些端口學習到的MAC地址。

其他交換機收到TC置位的RST BPDU時候，會清除接收TC報文的端口以及邊緣端口之外的其余端口MAC地址，并同樣會在兩倍的Hello Time時間內向根端口以及指定端口發(fā)送TC置位為1的RST BPDU報文。

交換機收到TC置位的RST BPDU后不需要在Max Age+Forward Delay時間內將MAC地址老化時間設置為Forward Delay，而是直接清除端口MAC地址，重新進行學習，從而實現更快的收斂。

注：本人使用華為模擬器，拓撲改變收到拓撲改變的報文，并沒有立即清除端口mac，好像是一個Foreard Delay時間后才清除mac。

RSTP和STP的兼容

當運行RSTP的交換機連續(xù)3次接收到配置BPDU時候，認為改端口和STP相連，該端口將切換到STP協(xié)議運行。

MSTP（802.1S，Multiple Spanning Tree Protocol，多生成樹協(xié)議）

基本思想

基于實例（Instance）計算出多棵生成樹，每個實例都會生成自己的生成樹，并且每個實例可以包含一個或多個VLAN，每一個VLAN只能映射到一個實例。交換機可以通過配置多個實例，實現不同VLAN組之間的負載分擔。

基本概念解釋

MST域是一個具有相同域名、修訂級別和摘要信息的網橋或交換機構成的集合，一個域可以包含多個實例。

域名，本域的名稱，MSTP中每一個域都有一個獨一無二的名稱，配置不同域名會被認為屬于不同的域。

修訂級別，目前保留，默認為0。

配置摘要，由網橋的vlan和實例映射關系生成的長度為16字節(jié)的HMAC-MD5簽名。

IST是MST域內的一顆生成樹，每顆生成樹對應一個實例。實例號為0，一定存在的

MSTI是多生成樹實例，實例號從1開始，為0的實例號是IST

MSTI域根，是每一個MSTI實例上優(yōu)先級最高的網橋

CST（公共生成樹）是網絡內所有MST域通過計算得到的一棵樹。

CIST（公共和內部生成樹）是整個網絡所有設備經過生成樹計算得到的一棵樹。由IST和CST共同構成。

CIST總根，是整個網絡中優(yōu)先級最高的橋，是CIST的根橋。

CIST域根，IST的根橋即為CIST的域根，是MST域內距離總根最近的橋，也稱為Master橋。

端口角色

相較RSTP，橋的角色上，MSTP增加了Master橋。端口角色上，增加了域邊界端口以及Master端口。根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口定義和RSTP一樣。

IST（實例號為0網絡）中距離總根最近的橋為Master橋，該橋為IST的根，Master橋指向總根（整個網絡中優(yōu)先級最高的橋）的端口為Master端口。

MST域內網橋和其他MST域或STP/RSTP網橋相連的端口稱為域邊界端口，Master端口也是域邊界端口。

如下圖創(chuàng)建了三個區(qū)域，暫時都只有IST（實例0），優(yōu)先級和MAC都是我編的，然后下圖標注了MSTP所有的概念，更方便理解吧。

BPDU報文

BPDU Type：0x02

BPDU flags:CIST標志字段

Root Identifier：CIST總根交換機ID

Root Path Cost：CIST外部路徑開銷，指從本交換機所屬的MST域到CIST根交換機的累計路徑開銷。

Bridge Identifier：CIST的域根交換機ID（每個域距離根橋最近的交換機，域根并不是只有一個，每個域都有一個域根，很多資料上也稱為CIST域根，我理解一半天），即IST Master的ID。如果總根在這個域內，那么域根交換機ID就是總根交換機ID。

Port Identifier：CIST的指定端口ID（當前報文的上游交換機發(fā)送端口）

Version 3 Length：表示MST專有字段的長度，用于接收到BPDU后進行校驗。

MST Config ID：格式選擇字符固定為0x00。

MST Config name：域名

MST Config revision：修訂級別，為0

MST Config digest：配置摘要

CIST Internal Root Path Cost：CIST內部路徑開銷，表示發(fā)送此BPDU的網橋到達CIST域根的路徑開銷。

CIST Bridge Identifier：發(fā)送此BPDU的網橋ID

CIST Remaining hops：CIST剩余跳數，限制MST域的規(guī)模，從域根開始，BPDU每經過一個網橋，跳數就減一，網橋會丟棄收到的跳數為0的BPDU，從而限制MST域的規(guī)模。默認為20

MSTI配置信息中的內容只在各自實例中有效，且每個實例中這些字段值是獨立的

MSTI flag：一個字節(jié)，從第一位到第七位的定義和RSTP相同，第八位為Master標志位

Region Root：表示該實例的域根ID

Internal root path cost：表示發(fā)送此BPDU的網橋到達MSTI域根的路徑開銷

Bridge Identifier priority：表示發(fā)送此BPDU的網橋，即指定橋的優(yōu)先級，其中高4位為優(yōu)先級位，第四位固定為0

Port Identifier priority：表示發(fā)送此BPDU的端口的優(yōu)先級，其中高4位為優(yōu)先級位，第四位固定為0

Remaining hops：表示BPDU在該MST實例中的剩余跳數。

優(yōu)先級向量

MSTP計算可以分為CIST和MSTI計算兩部分

CIST優(yōu)先級向量

用于計算生成CIST生成樹和CST生成樹，總根，域根等

{CIST總根ID、外部路徑開銷、域根ID、內部路徑開銷、指定交換設備ID、指定端口ID、接收端口ID}

再次注意（怕你已經被弄暈了），

外部路徑開銷是當前域的Master橋到總根的路徑開銷

內部路徑開銷是當前交換機到當前域根的路徑開銷

指定交換設備ID就是發(fā)送這個報文的交換機的ID

指定端口ID就是發(fā)送這個報文的交換機的端口ID

對比是按照從左往右的順序，值小者為優(yōu)，給個報文的圖直觀一些

MSTI優(yōu)先級向量用于計算生成區(qū)域內的生成樹和端口狀態(tài)等，計算范圍僅限區(qū)域內

{域根ID、內部路徑開銷、指定交換設備ID、指定端口ID、接收端口ID}

MSTP計算方法

每個BPDU既包含CIST計算所需的信息，也包含MSTI計算所需要的信息。

計算生成樹時候和RSTP類似，在進行CST計算時，會把MST域看做邏輯上的一個網橋，網橋ID為IST域根的ID也就是Master橋ID（距離總根最近的橋）。

當網橋收到BPDU并判斷不是同一個域后，不會解析MST專有字段的信息。

初始時每個網橋都認為自己是總根，發(fā)送以自己為總根、域根和指定橋的BPDU。

計算端口角色和交換機角色過程與RSTP相同。

CST（公共生成樹）的計算過程

需要對比的優(yōu)先級向量為{總根、外部路徑開銷、域根、指定端口ID、接收端口ID}，因為生成CST時候把相同的域當做一個網橋了，網橋ID為MST域的Master橋ID，所以自然無需對比內部路徑開銷和指定橋ID了。

初始時，每個域根向其他域根發(fā)送以自己為總根的BPDU。

確定“根網橋”（一個域看成一個網橋），也是CIST的總根。

確定端口角色“根端口”也就是一個域的Master端口，“根端口”的網橋也就是域根。

確定指定端口、Alternate端口或者Backup端口。

阻塞域之間的Alternate端口和Backup端口。

IST（內部生成樹）和MSTI（內部生成樹實例）的計算過程

經過CST的計算生成了域內的根橋（即Master橋）

所需要比較的優(yōu)先級向量為MSTI優(yōu)先級向量，即{域根ID、內部路徑開銷、指定交換設備ID、指定端口ID、接收端口ID}

域內網橋通過比較內部路徑開銷來確定根端口。

通過比較BPDU的優(yōu)先級確定指定端口、Alternate端口或者Backup端口。

阻塞IST上的Alternate端口和Backup端口。

MSTP與RSTP交互

RSTP網橋收到MSTP的BPDU時，會將MSTP的BPDU報文里的CIST總根ID，外部路徑開銷，域根ID，指定端口ID分別與RSTP的BPDU報文里的根橋ID，根橋開銷，指定橋ID，指定端口ID對應。

MSTP網橋收到RSTP的BPDU時，會將RSTP的BPDU報文里的根橋ID，根橋開銷，指定橋ID，指定端口ID分別與MSTP的BPDU報文里的CIST總根ID，外部路徑開銷，域根ID，指定端口ID對應。

P/A快速收斂機制

MSTP支持RSTP的快速收斂機制，但有不同點。詳細的可以看上面的RSTP的P/A機制，這里只寫區(qū)別。

RSTP是上游交換機指定端口發(fā)送Proposal置位的BPDU，下游網橋執(zhí)行同步操作之后回應Agreement置位的BPDU，上游網橋收到Agreement置位的BPDU后其指定端口可以立即進入轉發(fā)狀態(tài)。

MSTP是上游交換機指定端口發(fā)送Proposal置位和Agreement置位的BPDU，下游網橋收到BPDU后執(zhí)行同步操作然后回應Agreement置位的BPDU，上游網橋收到Agreement置位的BPDU后其指定端口可以立即進入轉發(fā)狀態(tài)。

補充

MSTP和實例相關的講的較少，因為同一個MST域中可以有多個實例，每個實例可以運行通過一個或n個VLAN，但是一個VLAN只能存在一個實例中，然后每個實例都會各自生成生成樹，除了IST（實例為0）的根節(jié)點是Master橋，其余實例都是按照RSTP類似方法計算出各自實例自己的根橋，指定橋，根端口和指定端口的。

MSTP因為有多個實例，每個端口上對實例的狀態(tài)可能不一樣，比如在實例1端口為根端口，實例2上這個端口為指定端口，所以會出現端口既會發(fā)BPDU報文也會收BPDU報文。

拓撲改變的處理和RSTP相同。

MSTP比RSTP就是多了分區(qū)域多實例，細化看，每個實例運行的都是RSTP。

RSTP和MSTP啟動時簡單介紹

當一臺交換設備啟動RSTP和MSTP時候，會默認自己為根橋，且所有使能RSTP或者MSTP的端口都為指定端口Discarding狀態(tài)，這樣就會觸發(fā)P/A快速機制，當一個指定端口發(fā)送P/A機制報文沒收到對端發(fā)送過來的回復報文，則需要經過2倍的Forward delay時間才能到轉發(fā)態(tài)。假如下游有一個交換設備同時開啟了RSTP或者MSTP，則都會發(fā)送P/A機制報文，收到報文后兩個指定端口會對比報文確定自己的角色從而繼續(xù)P/A快速機制。P/A會阻塞除邊緣端口和根端口外的其他所有端口，端口兩兩進行這種操作從而生成整個生成樹。

MSTP啟動時，多個實例都會在互不干擾的生成對應的生成樹，類似多線程一樣。

MSTP收到其他區(qū)域報文時候，只會對比CIST的信息，MIST內容會忽略。

審核編輯：郭婷