一文带你了解生成树协议三个版本：STP、RSTP 和 MSTP
一文带你了解生成树协议三个版本：STP、RSTP 和 MSTP
生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）及其后续改进版，如快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）和多生成树协议（Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP），是保证网络冗余与稳定的关键技术。这些协议能够防止环路的出现，从而避免广播风暴和通信中断。本文将详细介绍 STP、RSTP 和 MSTP，帮助理解它们的工作原理、优缺点以及应用场景。
生成树协议（STP）
STP 是由 IEEE 802.1D 标准定义的协议，最初用于以太网交换网络中，确保在存在冗余链路的网络中消除环路。网络环路会导致广播风暴、MAC 地址表混乱等问题，STP 通过选择一条无环的逻辑路径来避免这些问题。
STP 的核心概念是生成树算法（Spanning Tree Algorithm，STA），该算法通过选举根桥（Root Bridge）和根端口（Root Port）来构建一棵无环的逻辑树。每个交换机都会维护一个 MAC 地址表，记录每个端口连接的设备信息。当网络拓扑发生变化时，STP 会重新计算生成树，以适应新的网络结构。
STP 的工作原理
选举根桥：所有交换机都会参与根桥的选举过程。根桥的选择基于交换机的优先级和 MAC 地址。优先级最低的交换机将成为根桥，如果优先级相同，则选择 MAC 地址最小的交换机。
确定根端口：非根桥交换机需要确定一个根端口，即距离根桥最近的端口。根端口的选择基于以下参数：
- 根路径成本（Root Path Cost）：从当前交换机到根桥的路径成本。
- 发送桥的优先级：如果路径成本相同，则选择优先级较低的交换机。
- 发送桥的 MAC 地址：如果前两个参数都相同，则选择 MAC 地址较小的交换机。
- 端口 ID：如果所有其他参数都相同，则选择端口 ID 较小的端口。
- 选择指定端口：每个网段都需要选择一个指定端口（Designated Port），用于转发数据。指定端口的选择基于以下参数：
- 根路径成本：从当前交换机到根桥的路径成本。
- 发送桥的优先级：如果路径成本相同，则选择优先级较低的交换机。
- 发送桥的 MAC 地址：如果前两个参数都相同，则选择 MAC 地址较小的交换机。
- 端口 ID：如果所有其他参数都相同，则选择端口 ID 较小的端口。
- 阻塞非必要端口：除了根端口和指定端口之外，其他端口将被置于阻塞状态（Blocking State），以防止环路的形成。
STP 的状态机
STP 定义了五种端口状态：
- 阻塞（Blocking）：端口不接收或转发数据帧，但可以接收 BPDU（Bridge Protocol Data Unit）。
- 监听（Listening）：端口开始接收 BPDU，但不转发数据帧。
- 学习（Learning）：端口开始学习 MAC 地址，但不转发数据帧。
- 转发（Forwarding）：端口正常接收和转发数据帧。
- 禁用（Disabled）：端口被管理员手动关闭。
端口从阻塞状态到转发状态需要经历一个老化时间（Max Age），默认为 20 秒。这个过程称为 STP 的收敛过程。
快速生成树协议（RSTP）
快速生成树协议（RSTP）是对 STP 的改进，主要目的是加快网络的收敛速度。RSTP 由 IEEE 802.1w 标准定义，它保留了 STP 的基本概念，但引入了一些新的机制来加速收敛过程。
RSTP 的改进
- 端口角色的扩展：RSTP 引入了新的端口角色，包括：
- 根端口（Root Port）：与 STP 相同。
- 指定端口（Designated Port）：与 STP 相同。
- 替代端口（Alternate Port）：作为根端口的备份。
- 备份端口（Backup Port）：作为指定端口的备份。
- 端口状态的简化：RSTP 将端口状态从五种简化为三种：
- 丢弃（Discarding）：与 STP 的阻塞状态类似。
- 学习（Learning）：与 STP 相同。
- 转发（Forwarding）：与 STP 相同。
- 快速收敛机制：
- 同步过程：当一个端口从阻塞状态变为转发状态时，RSTP 会触发一个同步过程，强制所有下游交换机的指定端口进入丢弃状态，以防止临时环路的形成。
- 边缘端口：如果一个端口连接的是终端设备而不是交换机，可以将其配置为边缘端口。边缘端口可以直接从丢弃状态跳转到转发状态，无需经过监听和学习状态。
- 点对点链路检测：RSTP 可以检测链路类型，如果是点对点链路，可以加快收敛速度。
多生成树协议（MSTP）
多生成树协议（MSTP）是对 RSTP 的进一步扩展，由 IEEE 802.1s 标准定义。MSTP 允许在一个交换网络中同时运行多个生成树实例，每个实例可以有不同的生成树结构。这样可以实现流量负载均衡和优先级控制。
MSTP 的特点
多实例支持：MSTP 可以创建多个生成树实例（MST Instance），每个实例可以有不同的生成树结构。这样可以实现流量的负载均衡和优先级控制。
VLAN 映射：MSTP 允许将 VLAN 映射到不同的生成树实例。这样可以实现不同 VLAN 流量的独立路由。
兼容性：MSTP 向下兼容 STP 和 RSTP。在 MSTP 环境中，可以将所有 VLAN 映射到一个实例中，使其行为类似于 RSTP。
配置灵活性：MSTP 允许为每个实例单独配置根桥、路径成本等参数，提供了更高的配置灵活性。
总结
STP、RSTP 和 MSTP 是网络中用于防止环路和实现冗余的关键协议。它们各自解决了不同的问题：
- STP 是基础协议，解决了网络环路问题。
- RSTP 通过引入快速收敛机制，提高了网络的收敛速度。
- MSTP 通过支持多实例，实现了流量负载均衡和优先级控制。
在实际应用中，MSTP 由于其灵活性和功能的全面性，已经成为主流的生成树协议。然而，理解和配置这些协议需要一定的网络专业知识，因此在部署时需要谨慎考虑网络拓扑和流量需求。