STP回顾及不足

回顾

STP的工作原理

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STP树的生成过程

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STP的端口状态迁移

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不足

STP虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断，这是用户无法忍受的。

STP的不足：

STP没有细致区分端口状态和端口角色，不利于初学者学习及部署。

  • 从用户角度来讲，Listening、Learning和Blocking状态并没有区别，都同样不转发用户流量。
  • 从使用和配置角度来讲，端口之间最本质的区别并不在于端口状态，而是在于端口扮演的角色。

STP算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢。

STP算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其他设备再进行处理，最终传遍整个STP网络。

STP对计时器的依赖

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STP重收敛过程慢

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STP拓扑变更机制

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RSTP

概述

IEEE 802.1W中定义的RSTP可以视为STP的改进版本，RSTP在许多方面对STP进行了优化，它的收敛速度更快，而且能够兼容STP。

RSTP对STP的改进：

  • 通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解及部署；
  • 端口状态的重新划分；
  • 配置BPDU格式的改变，充分利用了STP协议报文中的Flag字段，明确了端口角色；
  • 配置BPDU的处理发生变化；
  • 快速收敛；
  • 增加保护功能。

改进点

端口角色

通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解与部署。

替代端口即是根端口的备份端口，当根端口不可用时会立马切换到替代端口进入转发状态，没有切换时间。

备份端口是指定端口的备份，当指定端口不可用时，会有30s的切换时间切换到备份端口，这30s的时间内可能会存在环路问题。

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端口状态

RSTP的状态规范缩减为3种，根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分：

Discarding状态：不转发用户流量也不学习MAC地址；

Learning状态：不转发用户流量但是学习MAC地址；

Forwarding状态：既转发用户流量又学习MAC地址。

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配置BPDU-RST BPDU

RSTP的配置BPDU充分利用了STP报文的Flag字段，明确了端口角色。

除了保证和STP格式基本一致之外，RSTP作了如下变化：

Type字段：配置BPDU类型不再是0而是2，所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃。

Flag字段：使用了原来保留的中间6位，这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU。

RST BPDU报文格式

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配置BPDU的处理

RSTP会主动发送BPDU每2s发送，STP被动发送BPDU即当有设备催促才会发送。

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对于STP来说，发现邻居失效需要20s，而RSTP发现设备失效仅需要6s。

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对于STP，当链路发生故障之后会向其他链路发送自己的BPDU，但是需要等到其他链路设备的BPDU老化之后（20s）才会将自己的BPDU发送出去，而RSTP会根据发送来的BPDU立马进行回应。

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快速收敛机制

注意：备份端口不会马上进入转发状态，需要一定的时间才会进入转发状态。

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P/A机制详解

对于STP的阻塞端口切换为转发端口，会有一个30s的等待时间。而RSTP可以依靠P/A机制进行协商加快端口的选举。

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拓扑变更机制

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拓扑变化引发的问题

若是SWA与SWB之间的链路断掉，PCB访问PCA的流量经过SWA后转发到SWB，因为链路的问题，SWA接收到数据无法转发到SWB则会丢弃，正常来说SWA与SWB之间的链路出现故障，PCB访问PCA的流量会直接走SWB去访问PCA，这就是拓扑变化引发的MAC地址表错误的问题。

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拓扑变化处理

当SWA与SWB之间的链路出现故障之后，RSTP会将E2端口切换为新的根端口，而SWC的E2端口变化为指定端口，而SWB检测到网络拓扑发生变化后会在TC While Timer（4s）内清空发生故障的MAC地址表，随后向外部泛洪TC报文

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SWC接收到SWB的TC报文后会将除E2端口外的非边缘端口的MAC地址表清空，同时SWC也会向外部泛洪TC报文。

SWA收到SWC泛洪的TC报文后会将除E2外的非边缘端口的MAC地址表清空。

保护功能

BPDU保护

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#设置接口为边缘端口
int g0/0/1
stp edged-port enable
#设置bpdu保护
[SW3]stp bpdu-protection

根保护

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1
2
3
#进入指定接口，开启根保护功能，以SW1的g0/0/1口为例
int g0/0/1
stp root-protection

环路保护

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防TC-BPDU攻击

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RSTP的工作过程

RSTP拓扑收敛过程

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MSTP

RSTP与STP的不足

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多生成树协议概述

MSTP是IEEE 802.1S中定义的生成树协议，MSTP兼容STP和RSTP，既可以快速收敛，又提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

MSTP可以将一个或多个VLAN映射到一个Instance（实例），再基于Instance计算生成树，映射到同一个Instance的VLAN共享同一棵生成树。

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MSTP的基本配置

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默认情况下，交换机都是用的MSTP模式，但是属于同一个实例。

SW1

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[SW1]vlan batch 10 20
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW1]int g0/0/1
[SW1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk
[SW1-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW1-GigabitEthernet0/0/1]quit
[SW1]int g0/0/2
[SW1-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk
[SW1-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW1-GigabitEthernet0/0/2]quit
[SW1]stp region-configuration 				//进入stp的域配置视图
[SW1-mst-region]region-name mstp			//配置stp域的名称
[SW1-mst-region]revision-level 1			//配置修订等级
[SW1-mst-region]instance 1 vlan 10		//将vlan10映射到实例1
[SW1-mst-region]instance 2 vlan 20		//将vlan20映射到实例2
[SW1-mst-region]active region-configuration 	//激活stp的域配置
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW1-mst-region]quit
#查看STP树的变化，可以看到STP树新生成了1、2的MSTID
[SW1]dis stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        ALTE  DISCARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/1        ALTE  DISCARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/1        ALTE  DISCARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE
#设置SW1为实例1的根桥
[SW1]stp instance 1 root primary
#再次查看SW1的STP树结构，可以发现较未设置SW1为实例1的根桥和未设置SW2为实例2的根桥，树的结构已经发生了改变，SW1上实例1中两个端口变为指定端口且都为转发状态，实例2中端口1为根端口，端口2为阻塞端口。
[SW1]dis stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        ALTE  DISCARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/1        ROOT  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/2        ALTE  DISCARDING      NONE

SW2

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[SW2]vlan batch 10 20
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW2]int g0/0/1
[SW2-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk
[SW2-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW2-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/02
[SW2-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk
[SW2-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW2-GigabitEthernet0/0/2]quit
[SW2]stp region-configuration 
[SW2-mst-region]revision-level 1
[SW2-mst-region]region-name mstp
[SW2-mst-region]instance 1 vlan 10
[SW2-mst-region]instance 2 vlan 20
[SW2-mst-region]active region-configuration 
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW2-mst-region]quit
#设置SW2为实例2的根桥
[SW2]stp instance 2 root primary
#查看SW2的STP树结构，会发现实例1中1端口为根端口，2端口为阻塞端口，实例2中两个端口都为指定端口。
[SW2]dis stp brief 
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/1        ROOT  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/2        ALTE  DISCARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE

SW3

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[SW3]vlan batch 10 20
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW3]int g0/0/2
[SW3-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk
[SW3-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW3-GigabitEthernet0/0/2]int g0/0/1
[SW3-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk
[SW3-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 10 20
[SW3-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/3
[SW3-GigabitEthernet0/0/3]port link-type access 
[SW3-GigabitEthernet0/0/3]port default vlan 10
[SW3-GigabitEthernet0/0/3]int g0/0/4
[SW3-GigabitEthernet0/0/4]port link-type access 
[SW3-GigabitEthernet0/0/4]port default vlan 20
[SW3-GigabitEthernet0/0/4]quit
[SW3]stp region-configuration 
[SW3-mst-region]region-name mstp
[SW3-mst-region]revision-level 1
[SW3-mst-region]instance 1 vlan 10
[SW3-mst-region]instance 2 vlan 20
[SW3-mst-region]active region-configuration 
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done.
[SW3-mst-region]quit
#查看SW3的STP树结构。
[SW3]dis stp br
 MSTID  Port                        Role  STP State     Protection
   0    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/3        DESI  FORWARDING      NONE
   0    GigabitEthernet0/0/4        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/1        DESI  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/2        ROOT  FORWARDING      NONE
   1    GigabitEthernet0/0/3        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/1        ROOT  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/2        DESI  FORWARDING      NONE
   2    GigabitEthernet0/0/4        DESI  FORWARDING      NONE

MSTP基本概念

MSTP网络层次

MST Region

MSTP网络层次：

  • MSTP把一个交换网络划分为多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。

MST Region（Multiple Spanning Tree Region，多生成树域），也可简称MST域：

  • 由交换网络中的多台交换设备以及它们之间的网段所构成。
  • 一个局域网可以存在多个MST域，各MST域之间在物理上直接或间接相连。用户可以通过MSTP配置命令把多台交换设备划分在同一个MST域内。
  • MSTP网络中包含1个或多个MST域，每个MST域中包含一个或多个多生成树实例。

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MSTI

MSTI（Multiple Spanning Tree Instance，多生成树实例）：

  • 一个MST域内可以生成多棵生成树，每棵生成树都称为一个MSTI。
  • MSTI使用Instance ID标识，华为设备取值为0~4094。

VLAN映射表

MST域的属性，描述了VLAN和MSTI之间的映射关系。

如下图所示的MST Region 4的VLAN映射有：

  • VLAN1映射到MSTI 1
  • VLAN2映射到MSTI 2
  • 其余VLAN映射到MSTI 3

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CST

CST（Common Spanning Tree，公共生成树）

  • 是连接交换网络内所有MST域的一颗生成树。
  • 如果把每个MST域看作是一个节点，CST就是这些节点通过生成树协议计算生成的一棵生成树。
  • 如下图深蓝色粗线条连接各个域构成CST。

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IST

IST（Internal Spanning Tree，内部生成树）

是各MST域内的一棵生成树。

IST是一个特殊的MSTI，MSTI的Instance ID为0。

如下图所示的MST Region 4，黑色细线条在域中连接该域的所有交换设备构成IST。

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CIST

CIST（Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树）

  • 通过生成树协议计算生成的，连接一个交换网络内所有交换设备的单生成树。
  • 如下图所示，所有MST域的IST加上CST就构成一棵完整的生成树，即CIST。

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SST

SST（Single Spanning Tree，单生成树）有两种情况：

  • 运行生成树协议的交换设备只能属于一个生成树。
  • MST域中只有一个交换设备，这个交换设备构成单生成树。

如下图所示的MST Region 3，该域中的唯一的交换设备构成SST。

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总根、域根和主桥

总根（CIST Root）

  • 是CIST的根桥，如下图中的SW1。

域根（Regional Root）

  • 分为IST域根和MSTI域根。
  • IST域根，在MST域中IST生成树中距离总根最近的交换设备是IST域根，如下图中SW2、SW3、SW4。
  • MSTI域根是每个多生成树实例的树根。

主桥（Master Bridge）

  • 是IST Master，它是域内距离总根最近的交换设备，如下图中的SW1、SW2、SW3、SW4。
  • 如果总根在MST域中，则总根为该域的主桥。

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小结

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MSTP端口

端口角色

MSTP中定义的所有端口角色包括：根端口、指定端口、Alternate端口（阻塞）、Backup端口（指定端口的备份端口）、Master端口、域边缘端口和边缘端口。

端口角色 说明
根端口 在非根桥上，离根桥最近的端口是本交换设备的根端口。根端口负责向树根方向转发数据。
指定端口 对一台交换设备而言，它的指定端口是向下游交换设备转发BPDU报文的端口。
Alternate端口 从配置BPDU报文发送角度来看，Alternate端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
从用户流量角度来看，Alternate端口提供了指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口。
Backup端口 从配置BPDU报文发送角度来看，Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
从用户流量角度来看，Backup端口作为指定端口的备份，提供了另外一条从根节点到叶节点的备份通路。
边缘端口 如果指定端口位于整个域的边缘，不在于任何交换设备连接，这种端口叫做边缘端口。
边缘端口一般与终端设备直接连接。

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端口角色 说明
Master端口 Master端口是MST域和总根相连的所有路径中最短路径上的端口，它是交换设备上连接MST域到总根的端口。
Master端口是域中的报文去往总根的必经之路。
Master端口是特殊域边缘端口，Master端口在CIST上的角色是Root Port，在其它实例上的角色都是Master端口。
域边缘端口 域边缘端口是位于MST域的边缘并连接其他MST域或SST的端口。

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端口状态

MSTP定义的端口状态与RSTP协议中定义相同：

  • Forwarding状态：端口既转发用户流量，学习MAC地址，又收到/发送BPDU报文。
  • Learing状态：过渡状态，端口接收/发送BPDU报文，不转发用户流量但是学习MAC地址。
  • Discarding状态：端口只接受BPDU报文，不转发用户流量也不学习MAC地址。
MSTP端口状态 端口在拓扑中的角色
Forwarding 包括根端口、指定端口、Master端口、域边缘端口
Learning 包括根端口、指定端口、Master端口、域边缘端口
Discarding 包括根端口、指定端口、Master端口、域边缘端口、Altrnate端口、Backup端口

MSTP报文

MSTP使用MST BPDU（Multiple Spanning Tree Bridge Protocol Data Unit，多生成树桥协议数据单元）作为生成树计算的依据。

MST BPDU报文用来计算生成树的拓扑、维护网络拓扑以及传达拓扑变化记录。

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MSTP工作原理

CIST计算

经过比较MST BPDU消息后，在整个网络中选择一个优先级最高的交换设备作为CIST的树根，即总根。

在每个MST域内，MSTP通过计算生成IST；同时MSTP将每个MST域作为单台交换设备对待，通过计算在MST域间生成CST。CST和IST构成了整个交换设备的CIST。

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假设将红色作为总根，通过CIST的计算，黄色即是各个区域的域根。

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MSTI计算

在MSTI域内，MSTP根据VLAN和生成树实例的映射关系，针对不同的VLAN生成不同的生成树实例。

每棵生成树独立进行计算，计算过程与STP计算生成树的过程类似。

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以区域4为例，可以计算出域内的3个MSTI。

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MSTP网络数据转发

在运行MSTP协议的网络中，一个VLAN报文将沿着如下路径进行转发：

  • 在MST域内，沿着其对应的MSTI转发。
  • 在MST域间，沿着CST转发。

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以区域1的实例2为例，假设区域1的2号交换机还连着一台PC机，想要访问区域4的3号交换机连着的PC机，则需要通过以下路径进行数据转发。

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MSTP总结

MSTP的基础配置命令

配置生成树工作模式

交换机支持STP、RSTP和MSTP三种生成树工作模式。默认情况共工作在MSTP模式。

1
[Huawei]stp mode {stp|rstp|mstp}

启用MSTP

使能交换设备或端口上的STP/RSTP/MSTP功能。缺省情况下，全局和端口的STP/RSTP/MSTP均使能。

注意：为了保证生成树计算过程快速而且稳定，必须在启用STP/RSTP/MSTP之前，完成对交换设备及其端口必要的基础配置

1
[Huawei]stp enable

配置MST域并激活

进入MST域视图

1
2
[Huawei]stp region-configuration
[Huawei-mst-region]

配置MST域的域名

缺省情况下，MST域名等于交换设备的桥MAC地址。

1
[Huawei-mst-region]region-name name

配置多生成树实例与VLAN的映射关系

将指定VLAN映射到指定的生成树实例上。缺省情况下，所有VLAN均映射到CIST，即实例0上。

1
[Huawei-mst-region]instance instance-id vlan {vlan-id1[to vlan-id2]}

配置MST域的MSTP修订级别

配置交换设备的MSTP修订级别。缺省情况下，交换设备MST域的修订级别是0。

1
[Huawei-mst-region]revision-level level-number

激活MST域的配置

使域名、VLAN映射表和MSTP修订级别生效。

1
[Huawei-mst-region]active region-configuration

MSTP可选配置命令

配置根桥和备份根桥

配置当前交换设备为指定生成树的根桥或备份根桥。

1
[Huawei]stp [instance instance-id] root {primary|secondary}

配置交换设备在指定生成树实例中的优先级

配置交换设备在指定生成树中的优先级。缺省情况下交换设备在指定生成树中的优先级是32768。

1
[Huawei]stp instance [instance-id] priority [priority-number]

配置端口在指定生成树实例中的路径开销

配置路径开销值的计算方式。在缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1T标准。

1
[Huawei]stp pathcost-standard {dot1q-1998|dpt1t|legacy}

配置当前端口在指定生成树上的端口路径开销。缺省情况下，端口在各个生成树上的路径开销为端口速率对应的路径开销。

1
[Huawei-GigabitEethernet0/0/1]stp instance [instance-id] cost [cost-value]

配置端口在指定生成树实例中的优先级

配置当前端口在生成树计算时的优先级，缺省情况下，交换设备端口的优先级取值是128。

1
[Huawei-GigabitEethernet0/0/1]stp instance [instance-id] port priority [priority-value]