生成树协议原理与应用

生成树协议原理与应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/2302_81149470/article/details/142335266

生成树协议（Spanning Tree Protocol，简称STP）是网络工程领域中一个非常重要的协议，主要用于解决以太网中的环路问题。通过构建一个无环路的逻辑树状结构，STP能够确保数据包在网络中正确传输，避免了广播风暴和MAC地址表不稳定等问题。本文将详细介绍STP、快速生成树协议（RSTP）和多生成树协议（MSTP）的工作原理、改进点和配置方法。

STP技术原理

生成树协议的分类

生成树协议的分类，按照产生的时间先后顺序为STP、RSTP、MSTP。

生成树协议所遵循的IEEE标准

三种生成树所遵循的IEEE标准分别为：

• STP：IEEE 802.3D
• RSTP：IEEE 802.3W
• MSTP：IEEE 802.3S

工作原理

STP技术的实现基于SPA（最短路径树算法 shortest path algorithm）算法，通过SPA在构建无环树形结构的时候经历四个步骤：

1. 选举根桥（Root），根桥是整个无环树形结构的根节点；
2. 选举根端口（RP），根端口是距离根桥最近的端口；
3. 选举指定端口（DP），指定端口是设备发出BPDU的接口，每条链路上必定有且只有一个 指定端口；
4. 剩下的端口全部Block掉；
5. 实现SPA算法所需要的原始数据，则是通过交换机之间交互BPDU（bridge protocol data unit）报文来完成的

STP的收敛过程-选举根桥

在一个交换广播域中，选举一个交换机为根桥，选举过程：

• 比较自己收到BPDU和自己发出的BPDU的Bridge ID，Bridge ID更小的成为根桥：
• 比较优先级，优先级更小的成为根桥；
• 若优先级一致，则比较交换机的MAC地址（show sysmac显示的地址），MAC地址更小的成为根桥
• 交换机启动生成树协议，并配置根桥优先级命令：

  Ruijie(config)#spanning-tree mode stp
  Ruijie(config)#spanning-tree
  Ruijie(config)#spanning-tree priority ?
  <0-61440> Bridge priority in increments of 4096 (default value: 32768)
  

为什么根桥优先级只能是4096的整数倍？

• Bridge ID：8字节，指示该BPDU报文发送者的BID，是由2字节的桥优先级和6字节MAC地址构成，而在2字 节（16bit）的优先级字段中，后12bit用来标识VLAN ID，只有前4bit是通过配置修改的， 2 的12次方=4096

STP的收敛过程-选举RP

在广播域内所有的非根桥交换机选择根端口（RP，ROOT Port），RP是非根桥交换机上到根桥距离最近的端口，每个非根桥有且只有一个RP。非根桥从多个接口接收到BPDU，哪个接口是RP？选举过程：

1. 比较接收到的BPDU中的Cost值，最小Cost值的BPDU的接收端口成为RP；
2. 若Cost值一致，则比较多个BPDU中的Bridge ID，最小Bridge ID值的BPDU的接收端口成 为 RP。Bridge ID 的比较，先比较优先级，再比较MAC，越小越优先；
3. 若Bridge ID一致，则比较多个BPDU中的Port ID，最小Port ID值的BPDU的接收端口成为 RP。Port ID的比 较，先比较端口优先级，后比较端口号，越小越优先

• 修改端口cost值和端口优先级的命令（为什么端口优先级只能是16的整数倍？）

  Ruijie(config-if-GigabitEthernet 0/36)#spanning-tree cost ?
  <1-200000000> Port path cost
  Ruijie(config-if-GigabitEthernet 0/36)#spanning-tree port-priority ?
  <0-240> Port priority in increments of 16 (default value: 128)
  

STP的收敛过程-选举DP

在所有的链路上选举指定端口（DP，Design Port），通过比较同一段链路上两个端口发送的BPDU中的 字段来实现，选举过程：

1. 比较同一段链路上两个端口发送的BPDU中的Cost值，Cost值较小的BPDU的发送端口成 为DP；
2. 若Cost值一致，则比较同一段链路上两个端口发送的BPDU中的的Bridge ID，Bridge ID值 较小的BPDU发送端口成为DP；
3. 若Bridge ID一致，则比较同一段链路上两个端口发送的BPDU中的Port ID，Port ID值较小 的BPDU发送端口成为DP

端口状态

RSTP快速生成树协议

RSTP产生背景

STP的不足之处：

1. 恢复时间长：端口从阻塞状态进入转发状态必须经历至少2倍的Forward Delay时间（即 Listening和Learning状态所经历的时间），所以网络拓扑结构改变之后至少需要两倍的 Forward Delay时间，才能恢复连通性
2. 如果网络中的拓扑结构变化频繁，网络会频繁的失去连通性，这样用户将无法忍受

• RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，即快速生成树协议）的特点：

1. RSTP（快速生成树协议）是从STP发展而来，实现的基本思想和STP一致；
2. RSTP具备STP的所有功能；
3. RSTP改进的目的就是当网络拓扑结构发生变化时，尽可能快的恢复网络的连通性

RSTP对STP的改进-端口角色

RSTP的端口状态：根端口、指定端口、替代端口、备份端口
替代端口：Alternate Port,替代根端口（替代RP），替代端口是从其他网桥接收到次优BPDU的端口，它提供了从本地到达根桥的另一条路经；
备份端口：Backup Port,备份指定端口（备份DR），由于学习到自己发出的BPDU报文而阻塞的端口，它提供了从根桥到达相应链路的另一条备份路径
-RSTP中的替代端口+备份端口=STP中的Block端口

RSTP对STP的改进-端口状态

RSTP的三个状态：

1. Discarding：丢弃，不转发用户数据帧，不可以学习MAC地址；
2. Learning：学习，不可以转发用户数据帧，但是可以学习MAC地址；
3. Forwarding：转发，可以转发用户数据帧，可以学习MAC地址；

RSTP对STP的改进-RST BPDU

Message Type字段：不再是0x00，而是代表着RSTP的0x02；
Flag字段，STP中只有第0、7位占用，而在RSTP中，第1-6位也全部占用

1. Bit1和Bit6分别是proposal和agreement，用于PA机制
2. Bit2和Bit3表示端口角色，00代表未知、01代表AP或BP、10代表RP、11代表DP
3. Bit0和Bit7分别是TCN和TCA
4. Bit3和Bit5分别代表learning和forwarding状态

RSTP对STP的改进-快速收敛机制之端口切换

• 根端口快速切换：

1. SW2的RP端口异常Down掉
2. 该设备上的Alternate端口（AP）将成为根端口，进入Forwarding状态；
3. 因为通过这个Alternate端口所在的链路上，必然有个指定端口可以到达根桥

• 指定端口快速切换：

1. SW3交换机DP口异常Down掉
2. 该设备上的Backup端口（BP）将成为指定端口，进入Forwarding状态；
3. 因为Backup端口作为指定端口的备份，提供了另外一条从根桥到响应网段的路径

RSTP对STP的改进-P/A机制

P/A机制，即Proposal/Agreement协商机制；
RSTP通过P/A机制加快了上游端口进入Forwarding状态的速度；
在RSTP中，当一个端口被选举成为指定端口之后，会首先进入Discarding状态，再通过P/A 机制快速进入 Forwarding状态：

1. 在STP中为了避免环路，该端口至少要等待一个Forwarding Delay时间才能进入Forwarding 状态
2. 而RSTP通过阻塞自己的非根端口来避免环路，加快了上游端口进入Forwarding状态的速度

RSTP的工作机制-P/A机制详解

在一个稳定的RSTP环境中，root和SW3之间新增一条链路，RSTP如何重新收敛？

1. root和SW3之间的端口成为指定端口，发送RST BPDU；
2. SW3的P1端口收到了更优的RST BPDU，马上意识到自己将成为根端口 而不是指定端 口，马上停止发送RST BPDU；
3. root的指定端口进入discarding状态，发送proposal置位的RST BPDU
4. SW3收到root发来的proposal置位的RST BPDU，开始将自己的所有端口进入同步状态
5. SW3各端口同步之后，下游端口进入discarding状态，上游端口P1进入forwarding状态并向 root返回agreement置位的RST BPDU，作为对 proposal的回应；
6. root收到agreement置位的RST BPDU，是对自己刚刚发出的proposal的回应，于是指定端 口马上进入forwarding状态
7. SW3下游链路的收敛过程和上述过程一致
   

RSTP的配置

选择STP模式为RSTP（锐捷交换机默认为RSTP）；
启动生成树协议
配置优先级

Ruijie(config)#spanning-tree mode rstp
Ruijie(config)#spanning-tree
Ruijie(config)#spanning-tree priority ?
<0-61440> Bridge priority in increments of 4096 (default value: 32768)

RSTP的不足

1. 无法负载均衡
2. 二层次优路径

MSTP

简介：

MSTP是在传统的STP、RSTP的基础上发展而来的新的生成树协议，包含了RSTP的快速 Forwarding机制
MSTP 是基于实例来进行无环拓扑计算，既避免了环路的产生，也能基于VLAN实现数据转发 的负载均衡

相关概念--MST Region

MST Region :MST把一个交换网划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间相互独立

1. 1.--由交换网络中的多台交换机以及他们之间的网段所构成；
   2.--一个局域网内可以存在多个MST域，各MST域之间在物理上直接或者间接相连；
   3.--MSTP网络中包含1个或者多个MST域，每个MST域中包含一个或多个生成树实例；
   ——在日常项目实施或者网络维护中，通常是一个局域网只有一个域. 同一个MSTP域中有如下 的特点：
   ·都启动了MSTP；
   ·配置了相同的域名；
   ·具有相同的VLAN和实例的映射；
   ·具有相同的Reversion Number(0-65535)

MSTP相关概念-Instance

Instance：实例，MST域内可以有多棵生成树，每棵生成树都是一个实例，使用Instance ID标识 (0-64）

1. Instance 0缺省存在，且在缺省情况下，所有的VLAN都映射到了Instance 0中；
2. 每个VLAN只能对应一个Instance，而一个Instance内可以有多个VLAN

MSTP相关概念-CST，IST，CIST

CST：公共生成树，把每一个MST域作为一个独立的节点设备，CST就是这些节点设备通过生成树协议计算而生成的一棵生成树；
IST：内部生成树，是MST域内Instance 0所生成的一棵生成树；
·CIST:公共和内部生成树
---通过生成树协议计算生成的，连接一个交换网所有设备的单生成树，CST+IST=CIST

其他相关概念：

MSTP端口角色
---根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口、边缘端口（和RSTP一致）、master端口、域边缘端口（MSTP特有，多域状态下存在）
MSTP端口状态
---Forwarding、Learning、Discarding(和RSTP一致)