本文首次发布于 Mlin Blog、简书、CSDN，作者 @木林(Mlin) ,转载请保留原文链接。

前言

正文

一、STP

为了提高网络可靠性，交换网络中通常会使用一些冗余链路。然而，冗余链路会给交换网络带来环路风险，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等问题，进而会影响到用户的通信质量。生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以在提高可靠性的同时又能避免环路带来的各种问题。

1 STP出现背景

1.1 广播风暴

• 环路会引起广播风暴。
• 网络中的主机会收到重复数据帧。

• 根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。
• 主机A向外发送了一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后，将其转发到SWA和SWC，SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SWB，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。

1.2 MAC地址表震荡

• 环路会引起MAC地址表震荡。

• 交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。
• 主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/3，并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。
• SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。
• SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。
• SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，00-01-02-03-04-AA，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。

2 STP的基本概念

2.1 一般概念

• 遵循标准
  • STP遵循IEEE std 802.1D标准
• 基本思想
  • STP根据拓扑结构构建无环网络
• 实现方法
  • STP通过阻塞适当的端口来避免环路
• STP可以消除网络中的环路。其基本理论依据是根据网络拓扑构建（生成）无回路的连通图（就是树），从而保证数据传输路径的唯一性，避免出现环路导致报文流量的增加和循环。STP是工作在OSI第二层（Data Link Layer）的协议。
• STP协议通过在交换机之间传递特殊的消息并进行分布式的计算，来决定在一个有环路的网络中，某台交换机的某个端口应该被阻塞，用这种方法来避免掉环路

2.2 重要概念

• 根桥RB（Root Bridge）
  • 根桥就是网桥ID最小的桥，由优先级和MAC地址组成。
• 根端口RP（Root Port）
  • 所谓根端口就是去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据，这个端口的选择标准是依据根路径开销判定。在一台设备上所有使能STP的端口中，根路径开销最小者，就是根端口。很显然，在一个运行STP协议的设备上根端口有且只有一个，根桥上没有根端口。
• 指定端口（DP）和指定桥
  • 每一个网段选择到根桥最近的网桥作为指定桥，该网桥到这个网段的端口为指定端口。
  • 指定桥通过指定端口负责向本网段转发流量和发送配置消息。
• 替代端口AP（Alternate Port）
  • 既不是根端口，又不是指定端口

2.3 配置BPDU

• 配置BPDU

  • 传递根桥ID，累计根路径开销，发送设备BID，发送端口PID等参数
  • 由根桥周期（hello time）发送
  • 发送目的为组播MAC地址01-80-C2-00-00-00
  • 老化时间为Max Age

• 配置BPDU在以下3种情况下会产生

  • 只要端口使能STP，则配置BPDU就会按照Hello Time定时器规定的时间间隔从指定端口发出。
  • 当根端口收到配置BPDU时，根端口所在的设备会向自己的每一个指定端口复制一份配置BPDU。
  • 当指定端口收到比自己差的配置BPDU时，会立刻向下游设备发送自己的BPDU。

2.4 STP的作用

• 消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。
• 链路备份：当活动路径发生故障时，激活备份链路，及时恢复网络连通性。

3 STP报文格式

字段内容	含义
Protocol Identifier	协议ID＝“0”
Protocol Version Identifier	协议版本标识符，STP为0，RSTP为2，MSTP为3。
BPDU Type	BPDU类型，MSTP为0x02。 0x00：STP的Configuration BPDU 0x80：STP的TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU） 0x02：RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU）或者MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）
Flags	标识位，对于“标记域”（Flags），第一个bit（左边、高位bit）表示“TCA（拓扑改变响应）”，最后一个bit（右边、低位bit）表示“TC（拓扑改变）”。
Root Identifier	根桥BID，网桥ID都是8个字节——前两个字节是网桥优先级，后6个字节是网桥MAC地址。
Root Path Cost	根路径开销，本端口累计到根桥的开销。
Bridge Identifier	发送者BID，本交换机的BID。
Port Identifier	发送端口PID，发送该BPDU的端口ID。
Message Age	该BPDU的消息年龄。
Max Age	消息老化年龄。
Hello Time	发送两个相邻BPDU间的时间间隔。
Forward Delay	控制Listening和Learning状态的持续时间。

• 根路径开销(Root Path Cost)
  • 从发送该BPDU的网桥到根桥的最小路径开销，即到根桥的最短路径上所有链路开销的和。
• 桥ID（Bridge Identifier）
  • 发送BPDU的桥ID，对于LAN来说，就是指定桥ID（DesignatedBridgeID）。
• 发送端口ID（Port Identifier）
  • 发送BPDU的端口ID，端口ID由端口优先级和端口号组成。对于LAN来说，就是指定端口ID（DesignatedPortID）
• Hello Time
  • 运行STP协议的设备发送配置消息BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。
  • 当网络拓扑稳定之后，该计时器只有在根桥上进行修改才有效。
  • 当拓扑发生变化时，变更消息不受Hello time影响。
  • 缺省为2秒。
• Max Age
  • 运行STP协议的网络中非根桥设备收到配置BPDU报文后，报文中的Message Age和Max Age会进行比较：
    • 如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备继续转发配置BPDU报文。
    • 如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化。该非根桥设备直接丢弃该配置BPDU，可认为网络直径过大，导致根桥连接失败。
  • 实际实现中，配置BPDU报文经过一个桥，Message Age增加1。
  • 缺省为20。
• Forward Delay
  • 配置BPDU传播到全网的最大延迟，默认为15秒。

4 STP拓扑计算

4.1 STP操作过程

1. 选举一个根桥。
2. 每个非根交换机选举一个根端口。
3. 每个网段选举一个指定端口。
4. 阻塞非根、非指定端口。

4.2 选举根桥

• 初始状态所有交换机所有端口处于listening状态
• 网络中桥ID最小的网桥被选为根桥
• STP拓扑计算
  • 网络中所有的设备使能STP协议后，每一台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。所有设备通过交换配置BPDU后，进行选举工作，选出根桥、根端口和指定端口。
  • 网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”，根桥ID为自身的设备ID。通过交换配置消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID最小的设备被选为根桥。
  • 交换机优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。

• STP中根桥的选举依据的是桥ID，STP中的每个交换机都会有一个桥ID(Bridge ID) 。桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。
• 交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。

4.3 最优配置BPDU

为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU（Bridge Protocol Data Unit）中。

• BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。

  • 配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。
  • TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

• 配置BPDU中包含了足够的信息来保证设备完成生成树计算，其中包含的重要信息如下：

  • 根桥ID：由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根桥。
  • 根路径开销：到根桥的最短路径开销。
  • 指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC地址组成。
  • 指定端口ID：由指定端口的优先级和端口号组成。
  • Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期。
  • Max Age：配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期。
  • Hello Time：配置BPDU发送的周期。
  • Forward Delay：端口状态迁移的延时。

• 最优配置BPDU处理方法

4.4 选举根端口和指定端口

4.4.1 根端口选举

• 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。

• 交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC（Root Path Cost，根路径开销），并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。
• 一般情况下，企业网络中会存在多厂商的交换设备，华为X7系列交换机支持多种STP的路径开销计算标准，提供最大程度的兼容性。缺省情况下，华为X7系列交换机使用IEEE 802.1t标准来计算路径开销。
• 运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID（Port ID)可以用来确定端口角色。
• 每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个最近的衡量标准是靠路径开销来判定的，即路径开销最小的端口就是根端口。端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中根路径开销字段的值，加上该端口本身的端口开销即为本端口路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。
• 如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上，则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上，则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。

4.4.2 指定端口选举

• 非根交换机在选举指定端口时分别依据根路径开销、BID、PID。
• 未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞。

• 在网段上抑制其他端口（无论是自己的还是其他设备的）发送BPDU报文的端口，就是该网段的指定端口。每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。
• 指定端口的选举也是首先比较累计路径开销，累计路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计路径开销和所在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。
• 网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发数据，只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。

4.7 计时器

• 配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age都加1。
• 如果Message Age大于Max Age，非根桥会丢弃该配置BPDU。

STP协议中包含一些重要的时间参数，这里举例说明如下：

1. Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效。
2. Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。
3. Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。

5 STP端口状态

5.1 标准端口状态

• Forwarding Delay
  • 端口在过渡状态的停留时间为15秒。
  • Forwarding Delay、hello timer与Max Age之间需要满足一定的计算关系，它们的默认值是按照网络直径为7进行计算的结果。
• 端口状态描述
  • 当端口正常启用之后，端口首先进入Listening状态，开始生成树的计算过程。
  • 如果经过计算，端口角色需要设置为预备端口（Alternate Port），则端口状态立即进入Blocking。
  • 如果经过计算，端口角色需要设置为根端口（Root Port）或指定端口（Designated Port），则端口状态在等待Forward Delay之后从Listening状态进入Learning状态，然后继续等待Forward Delay之后，从Learning状态进入Forwarding状态，正常转发数据帧。

5.2 华为端口状态

• 华为技术有限公司数据通信设备缺省情况处于MSTP模式，当从MSTP模式切换到STP模式，运行STP协议的设备上端口支持的端口状态仍然保持和MSTP支持的端口状态一样，支持的状态仅包括Forwarding、Learning和Discarding

5.3 端口状态机

• 端口转台转换
  • 1 端口初始化或使能;
  • 2 端口被选为根端口或指定端口。
  • 3 端口不再是根端口或指定端口。
  • 4 forward delay计时器超时。
  • 5 端口禁用或链路失效。
• 图中所示为STP的端口状态迁移机制，运行STP协议的设备上端口状态有5种：
  • Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进入Forwarding状态。
  • Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。
  • Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。
  • Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。
  • Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。

6 STP拓扑变化

6.1 TCN消息

6.1.1 TCN BPDU

• 指在下游拓扑发生变化时向上游发送拓扑变化通知，直到根节点
• 产生条件：
  • 端口状态变为Forwarding状态，且该设备上至少有一个指定端口
  • 指定端口收到TCN BPDU，复制TCN BPDU并发往根桥

6.1.2 TCN消息处理

• TCN消息处理过程：
  • 在网络拓扑发生变化后，有端口转为转发状态的下游设备会不间断地向上游设备发送TCN BPDU报文。
  • 上游设备收到下游设备发来的TCN BPDU报文后，只有指定端口处理TCN BPDU报文。其它端口也有可能收到TCN BPDU报文，但不会处理。
  • 上游设备会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给下游设备，告知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
  • 上游设备复制一份TCN BPDU报文，向根桥方向发送。
  • 重复步骤1、2、3、4，直到根桥收到TCN BPDU报文。
  • 根桥收到TCN BPDU后，会将下一个要发送的配置BPDU中的TCA位置位，作为对收到的TCN的确认，还会将该配置BPDU报文中的Flags的TC位置1，用于通知所有网桥拓扑发生了变化。
  • 根桥在之后的max age+forwarding delay时间内，将发送BPDU中的TC置位的报文，收到该配置BDPU的网桥，会将自身MAC地址老化时间缩短为forwarding delay。
• 拓扑描述：
  • 拓扑中，经由STP计算，S1为根桥，S4的E1端口被阻塞。
  • 当S3的面向PC1的链路断掉之后，网络中的STP将进行重算，S4的E1端口将转变为指定端口，进入转发状态，此时S4会向上游发送TCN消息。
  • S2收到S3的TCN消息之后，将下一个配置BPDU中的TCA置位并从端口E3发送给S4，S2也从自己的根端口E1向根发送TCN BPDU。
  • S1收到S2发送的TCN消息之后，将下一个配置BPDU中的TCA和TC置位并从指定端口E1发送给S2。此后的（20秒+15秒）时间内，S1均将配置BPDU中的TC置位，各个网桥收到TC置位的BPDU后，将MAC地址的老化时间置为15秒。
  • 于是网络拓扑改变后，网络中交换机上的MAC地址表将很快收敛，避免无效流量浪费带宽。

6.2 收敛时长

STP时长最长可达30秒或者50秒

• 根桥失效：
  • 当S1出现故障，S2和S3都不能收到来自根桥的BPDU报文，他们在等待最长max age时间后，才能发现根桥失效，进而进行新的根桥选举、根端口和指定端口的确定。所以到达最终的拓扑稳定需要经历BPDU的老化、2个forwarding delay（listening+learning）时长，即50秒。
• 链路失效：
  • 当S3连接S1的链路失效后，S3马上感知到这一情况的发生。S3的阻塞端口立即进入listening状态，并发送以自己为根的配置BPDU。S2收到S3的次优BPDU后，立即回复以S1为根的配置BPDU，因此S2连接S3的端口成为根端口，S3连接S2的端口成为指定端口。S3的面向S2的端口状态要经历listening、learning再到forwarding，即经历30秒。

链路失效或者链路增加均需要经历30秒，才能恢复故障。

6.3 根桥故障

• 非根桥会在BPDU老化之后开始根桥的重新选举。

• 在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。

6.4 直连链路故障

• SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口。
• SWB新的根端口会在30 秒后恢复到转发状态。

• SWA和SWB使用了两条链路互连，其中一条是主用链路，另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后，如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障，则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态，经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态。 t

6.5 非直连链路故障

• 非直连链路故障后，SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒。

• SWB与SWA之间的链路发生了某种故障（非物理层故障），SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。等待Max Age定时器超时后，SWB会认为根桥SWA不再有效，并认为自己是根桥，于是开始发送自己的BPDU报文给SWC，通知SWC自己作为新的根桥。在此期间，由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。所以，Max Age定时器超时后，SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后，SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。 e

6.6 拓扑改变导致MAC地址表错误

• MAC地址表项的默认老化时间是300秒。在这段时间内，SWB无法将数据从G0/0/2端口转发给主机B。

• 在交换网络中，交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。
• SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机A，通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒，主机A发往主机B的帧到达SWB后，SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。

6.7 拓扑改变导致MAC地址表变化

• 拓扑变化过程中，根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。
• 拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：

1. SWC感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCN BPDU报文。
2. SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SWC，告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
3. SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
4. SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forward Delay的时间（默认为15秒）。
5. 最多等待15秒之后，SWB中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SWB就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。

二、RSTP

1 STP的不足

• lSTP没有对端口状态和端口角色进行细致区分。例如从端口运行角度看，端口处于Blocking和Listening状态没有任何区别，因为这两种状态下的端口都无法收发数据，也不能进行MAC地址学习。
• 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的算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其他设备进行处理，传遍整个STP网络。

1.1 设备运行STP初始化场景

• STP从初始状态到完全收敛至少需经过30s：

1.2 交换机有BP端口，RP端口down掉场景

• SWC与SWA的直连链路down掉，其BP端口切换成RP端口并进入转发状态至少需要经过30s：

1.3 交换机无BP端口，RP端口down掉场景

• SWB与SWA的直连链路down掉，则SWC的BP端口切换成DP端口并进入转发状态大约需要50s：

1.4 运行STP的交换机连接用户终端的场景

• 交换机连接终端的链路进入转发需要经过30s：

1.5 STP的拓扑变更机制

• 先由变更点朝根桥方向发送TCN消息，收到该消息的上游交换机就会回复TCA消息进行确认；最后TCN消息到达根桥后，再由根桥发送TC消息通知设备删除桥MAC地址表项，机制复杂，效率低下。

• Flag两个置位。TC发17个。35S 交换机清空除接受端口之外所有端口学到的MAC，35内广播
• 拓扑变更处理过程：
  • 在网络拓扑发生变化后，下游设备会不间断地向上游设备发送TCN BPDU报文。
  • 上游设备收到下游设备发来的TCN BPDU报文后，只有指定端口处理TCN BPDU报文。其它端口也有可能收到TCN BPDU报文，但不会处理。
  • 上游设备会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给下游设备，告知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
  • 上游设备复制一份TCN BPDU报文，向根桥方向发送。
  • 重复上述步骤，直到根桥收到TCN BPDU报文。
  • 根桥把配置BPDU报文中的Flags的TC位置1后发送，通知下游设备直接删除桥MAC地址表项。

1.6 端口角色

1.7 端口状态

2 RSTP的基本概念

2.1 RSTP与STP的区别

• RSTP与STP的不同
  • 增加端口角色
  • 减少端口状态
  • 充分利用BPDU中的Flag字段
  • 对BPDU的处理方式发生了改变
  • 提高收敛速度
  • 增加了保护功能

2.2 端口角色

• 根端口

• 指定端口

• Alternate端口

• Backup端口

• RSTP的端口角色共有4种：根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口。
• 根端口和指定端口与STP协议中的定义相同，Alternate端口和Backup端口的描述如下：
• 从配置BPDU报文发送角度来看：
  • Alternate端口就是由于学习到其它网桥发送的更优配置BPDU报文而阻塞的端口。
  • Backup端口就是由于学习到自己发送的更优配置BPDU报文而阻塞的端口。
• 从用户流量角度来看：
  • Alternate端口提供了从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端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路。
• 给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。

2.3 端口状态

• RSTP端口状态
  • Forwarding
  • Learning
  • Discarding

• RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为3种。根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:
  • 如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么端口状态就是Discarding状态。
  • 如果不转发用户流量但是学习MAC地址，那么端口状态就是Learning状态。
  • 如果既转发用户流量又学习MAC地址，那么端口状态就是Forwarding状态。
• RSTP计算过程：
  • 端口在Discarding状态下完成端口角色的确定：
    • 当端口角色确定为根端口和指定端口后，经过forwarding delay后，端口进入Learning状态，处于Learning状态的端口其处理方式和STP相同，此期间端口开始学习MAC地址并在Forwarding delay后进入Forwarding状态，开始转发数据。实际上，RSTP会通过其他方式加快这个过程。
    • 当端口角色确定为Alternate端口后，端口会维持在Discarding状态。

2.4 BPDU中的Flag

• RSTP对STP的BPDU改动
  • 充分利用STP中BPDU的Flag，明确端口角色
  • Type字段为2
  • Flag字段使用了之前的保留位，更改后的配置BPDU更名为RST BPDU

image.png

• 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。在配置BPDU报文的格式上，除了保证和STP格式基本一致之外，RSTP作了一些小变化：
  • 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。
  • Flags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。
• RSTP中BPDU的Flag字段解释：
  • 第0位为TC标志位，和STP相同。
  • 第1位为Proposal标志位，该位置位表示该BPDU为快速收敛机制中的Proposal报文。
  • 第2位和第3位为端口角色标志位，00表示端口角色为未知；01表示端口角色为根端口；10表示端口角色为Alternate或Backup端口；11表示端口为指定端口。
  • 第4位为Learning标志位，该位置位表示端口处于Learning状态。
  • 第5位为Forwarding标志位，该位置位表示端口处于Forwarding状态。
  • 第6位为Agreement标志位，该位置位表示该BPDU位快速收敛机制中的Agreement报文。
  • 第7位为TCA标志位，和STP相同。

2.5 配置BPDU的处理

• RSTP中配置BPDU的处理
  • 非根桥设备每隔Hello Timer从指定端口主动发送配置BPDU
  • BPDU超时计时器为3个Hello Timer
  • 阻塞端口可以立即对收到的次级BPDU进行回应

BPDU处理发生的变化

• 拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式
  • 在STP中拓扑稳定后，根桥按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU。其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU后，才会触发发出配置BPDU，此方式使得STP协议计算复杂且缓慢。RSTP对此进行了改进，即在拓扑稳定后，无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文，非根桥设备仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU，该行为完全由每台设备自主进行。
• 更短的BPDU超时计时
  • 如果一个端口连续3个Hello Time时间内没有收到上游设备发送过来的配置BPDU，那么该设备认为与此邻居之间的协商失败。而不像STP那样需要先等待一个Max Age。
• 次级BPDU的处理
  • 当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时，该端口会将自身存储的RST BPDU与收到的RST BPDU进行比较。如果该端口存储的RST BPDU的优先级高于收到的RST BPDU，那么该端口会直接丢弃收到的RST BPDU，立即回应自身存储的RST BPDU。当上游设备收到下游设备回应的RST BPDU后，上游设备会根据收到的RST BPDU报文中相应的字段立即更新自己存储的RST BPDU。由此，RSTP处理次等BPDU报文不再依赖于任何定时器通过超时解决拓扑收敛，从而加快了拓扑收敛。

3 RSTP快速收敛

3.1 基本方法

• STP收敛机制

  • 在STP中，为了避免出现临时环路，端口从启动到进入转发状态默认需要等待30秒的时间；也就是说STP只能依靠计时器被动的收敛。如果缩短端口从启动到转发的等待时间，可能会引起网络的不稳定。

• RSTP快速收敛机制

  • 边缘端口机制

    • 在RSTP里面，如果某一个指定端口位于整个网络的边缘，即不再与其他交换设备连接，而是直接与终端设备直连，这种端口叫做边缘端口。边缘端口不接收处理配置BPDU，不参与RSTP运算，可以由Disable直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用。但是一旦边缘端口收到配置BPDU，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

  • 根端口快速切换机制

    • 如果网络中一个根端口失效，那么网络中最优的Alternate端口将成为根端口，进入Forwarding状态。因为通过这个Alternate端口连接的网段上必然有个指定端口可以通往根桥。

  • Proposal/Agreement机制

    • 当一个端口被选举成为指定端口之后，在STP中，该端口至少要等待一个Forward Delay（Learning）时间才会迁移到Forwarding状态。而在RSTP中，此端口会先进入Discarding状态，再通过Proposal/Agreement机制快速进入Forward状态。这种机制必须在点到点全双工链路上使用。

    Proposal/Agreement机制简称P/A机制。

3.2 边缘端口机制

• 边缘端口机制
  • 直接与用户相连
  • 可直接进入转发状态，无需延迟，不会触发拓扑变更
  • 收到RST BPDU则变为普通端口

• 边缘端口连接的是终端，当网络拓扑发生变化时，边缘端口不会发生环路，所以边缘端口可以忽略两个Forwarding Delay，直接进入转发状态，无需任何延迟。
• 边缘端口不接收处理配置BPDU，不参与RSTP运算，可以由Disable直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用。但是一旦边缘端口收到配置BPDU，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

3.3 根端口快速门切换机制

• 根端口快速切换机制
  • 网桥根端口失效，且对端网桥指定端口依然为转发状态，则该网桥Alternate端口直接进入转发状态

• 在RSTP中，Alternate端口为根端口的备份。当该网桥的根端口失效时，网桥会选择最优的Alternate端口作为新的根端口，直接进入Forwarding状态。因为通过这个Alternate端口连接的网段上必然有个指定端口可以通往根桥。

3.4 P/A机制

3.4.1 P/A机制介绍

• 使指定端口快速进入转发状态
• 工作模式为点对点的全双工模式
• 包括Proposal和Agreement报文

• Proposal/Agreement机制，其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。
• P/A机制要求两台交换设备之间链路必须是点对点的全双工模式。一旦P/A协商不成功，指定端口的选择就需要等待两个Forward Delay，协商过程与STP一样。
• 新链路连接成功后，P/A机制协商过程如下
  • p0和p1两个端口马上都先成为指定端口，发送RST BPDU。
  • S2的p1口收到更优的RST BPDU，马上意识到自己将成为根端口，而不是指定端口，停止发送RST BPDU。
  • S1的p0进入Discarding状态，于是发送的RST BPDU中把proposal置1。
  • S2收到根桥发送来的携带proposal的RST BPDU，开始将自己的所有端口进入sync变量置位。
  • p2已经阻塞，状态不变；p4是边缘端口，不参与运算；所以只需要阻塞非边缘指定端口p3。
  • p2、p3、p4都进入Discarding状态之后，各端口的synced变量置位，根端口p1的synced也置位，于是便向S1返回Agreement位置位的回应RST BPDU。该RST BPDU携带和刚才根桥发过来的BPDU一样的信息，除了Agreement位置位之外（Proposal位清零）。
  • 当S1判断出这是对刚刚发出的Proposal的回应，于是端口p0马上进入Forwarding状态。

3.4.2 P/A机制传递过程

• P/A过程可以向下游继续传递

• P/A过程可以向下游继续传递。
• 当S1和S2之间新增了一条链路后，P/A机制工作如下：
  • S1通过端口E1发送Proposal置位的RST BPDU消息给S2。
  • S2收到该消息后，意识到E2为根端口，启用同步机制阻塞指定端口E1和E3以避免产生环路，然后将根端口设置为转发状态，并向S1发送Agreement消息。
  • S1收到Agreement消息后，指定端口E1马上进入转发状态。
  • S2处于同步状态的非边缘指定端口E1和E3发送Proposal报文。
  • S3收到S2发送的Proposal报文后，判断E1为根端口，启动同步过程，由于S3下游均为边缘端口，所以已经实现了同步，因此S3直接向S2回复Agreement消息。
  • S2收到S3发送的Agreement消息后，端口E1马上进入转发状态。
  • S4的处理过程如S3。
  • S2收到S4发送的Agreement消息后，端口E3马上进入转发状态。
  • P/A过程结束。

4 RSTP拓扑变化

• 检测拓扑发生变化条件
  • 一个非边缘端口迁移到Forwarding状态
• 对拓扑改变的处理
  • 在每隔两个Hello timer时间内向所有其他指定端口和根端口发送TC置位的RST BPDU
  • 清除接收到TC报文的端口之外所有的非边缘端口学习到的MAC地址
• 在RSTP中检测拓扑是否发生变化只有一个标准：一个非边缘端口迁移到Forwarding状态。
• 一旦检测到拓扑发生变化，将进行如下处理：
  • 为本交换设备的所有非边缘指定端口启动一个TC While Timer，该计时器值是Hello Time的两倍。在这个时间内，清空状态发生变化的端口上学习到的MAC地址。同时，由这些端口向外发送RST BPDU，其中TC置位。一旦TC While Timer超时，则停止发送RST BPDU。
  • 其他交换设备接收到RST BPDU后，清空所有端口学习到MAC地址，除了收到RST BPDU的端口。然后也为自己所有的非边缘指定端口和根端口启动TC While Timer，重复上述过程。
  • 如此，网络中就会产生RST BPDU的泛洪。

5 RSTP保护功能

5.1 BPDU保护

• 应用场景：防止有人伪造RST BPDU恶意攻击交换设备，当边缘端口接收到该报文时，会自动设置为非边缘端口，并重新进行生成树计算，引起网络震荡。
• 实现原理：配置BPDU保护功能后，如果边缘端口收到BPDU报文，边缘端口将会被立即关闭。

5.2 根保护

• 应用场景：由于维护人员的错误配置或网络中的恶意攻击，网络中合法根桥有可能会收到优先级更高的RST BPDU，使得合法根桥失去根地位，从而引起网络拓扑结构的错误变动。

• 实现原理：一旦启用Root保护功能的指定端口收到优先级更高的RST BPDU时，端口状态将进入Discarding状态，不再转发报文。在经过一段时间，如果端口一直没有再收到优先级较高的RST BPDU，端口会自动恢复到正常的Forwarding状态。

• Root保护功能只能在指定端口上配置生效。

5.3 TC-BPDU泛洪保护

• TC-BPDU攻击：
  • 交换机在接收到TC-BPDU报文后，会执行MAC地址表项的删除操作。如果有人伪造TC-BPDU报文恶意攻击交换机时，交换机短时间内会收到很多TC-BPDU报文，频繁的删除操作会给设备造成很大的负担，给网络的稳定带来很大隐患。

• TC-BPDU攻击保护：
  • 启用防TC-BPDU报文攻击功能后，在单位时间内，RSTP进程处理TC类型BPDU报文的次数可配置（缺省的单位时间是2秒，缺省的处理次数是3次）。如果在单位时间内，RSTP进程在收到TC类型BPDU报文数量大于配置的阈值，那么RSTP进程只会处理阈值指定的次数；对于其他超出阈值的TC类型BPDU报文，定时器到期后，RSTP进程只对其统一处理一次。这样可以避免频繁的删除MAC地址表项，从而达到保护交换机的目的。

6 RSTP与STP互操作

• RSTP端口在接收到STP BPDU的两个hello timer后，会切换到STP工作模式
• 切换到STP协议的RSTP端口会丧失快速收敛等特性
• 当运行STP的设备从网络撤离后，原运行RSTP的交换设备可迁移回到RSTP工作模式

当一个网段里既有运行STP的交换设备又有运行RSTP的交换设备，STP交换设备会忽略RST BPDU，而运行RSTP的交换设备在某端口上接收到运行STP的交换设备发出的配置BPDU，在两个Hello Time时间之后，便把自己的端口转换到STP工作模式，发送配置BPDU。这样，就实现了互操作。

三、MSTP

• RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。但由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此被阻塞后链路将不承载任何流量，无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，从而造成带宽浪费。
• 为了弥补STP和RSTP的缺陷，IEEE于2002年发布的802.1s标准定义了MSTP。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。

1 单生成树的弊端

1.1 部分VLAN路径不通

• 如图所示，网络中有SWA、SWB、SWC三台交换机。配置VLAN2通过两条上行链路，配置VLAN3只通过一条上行链路。

• 为了解决VLAN2的环路问题，需要运行生成树。在运行单个生成树的情况下，假设SWC与SWB相连的端口成为预备端口（Discarding状态），那么VLAN3的路径就会被断开，无法上行到SWB。

1.2 无法实现流量分担

• 为了实现流量分担，需要配置两条上行链路为Trunk链路，允许通过所有VLAN；SWA和SWB之间的链路也配置为Trunk链路，允许通过所有VLAN。将VLAN2的三层接口配置在SWA上，将VLAN3的三层接口配置在SWB上。
• 我们希望VLAN2和VLAN3分别使用不同的链路上行到相应的三层接口，但是如果连接到SWB的端口成为预备端口（Alternate Port）并处于Discarding状态，则VLAN2和VLAN3的数据都只能通过一条上行链路上行到SWA，这样就不能实现流量分担。

1.3 次优二层路径

• 如图所示，SWC与SWA和SWB相连的链路配置为Trunk链路，允许通过所有VLAN；SWA与SWB之间的链路也配置为Trunk链路，允许通过所有VLAN。
• 运行单个生成树之后，环路被断开，VLAN2和VLAN3都直接上行到SWA。
• 在SWA上配置VLAN2的三层接口，在SWB上配置VLAN3的三层接口，那么，VLAN3到达三层接口的路径就是次优的。

2 MSTP基本概念

2.1 MSTP域

MSTP域，具有相同元素网桥的集合

• 使能MSTP
• 相同域名。
• 相同VLAN映射
• 相同修订级别

• MST域是多生成树域（Multiple Spanning Tree Region），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。同一个MST域的设备具有下列特点：
  • 都启动了MSTP。
  • 具有相同的域名。
  • 具有相同的VLAN到生成树实例映射配置。
  • 具有相同的MSTP修订级别配置。
• 所谓实例就是针对一组VLAN的一个独立计算的STP。通过将多个VLAN捆绑到一个实例，相对于每个VLAN独立运算来说，可以节省通信开销和资源占用率。MSTP各个实例的计算过程相互独立，使用多个实例可以实现物理链路的负载均衡。当把多个相同拓扑结构的VLAN映射到一个实例之后，这些VLAN在端口上的转发状态取决于该端口在对应MSTP实例中的状态。

2.2 CST/IST/CIST/总根/ 主桥

• CIST公共和内部生成树CIST是通过STP或RSTP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。
  • 总根是整个网络中优先级最高的网桥，即为CIST的根桥。
  • 拓扑中，MST域内的红线和MST域间的蓝线共同组成了CIST。CIST的根桥为MST Region1中的S1。
• CST公共生成树CST（Common Spanning Tree）是连接交换网络内所有MST域的一棵生成树。
  • CST就是这些节点通过STP或RSTP协议计算生成的一棵生成树。
  • 拓扑中，由蓝线组成CST。CST的根即为MST Region1。
• 内部生成树IST（Internal Spanning Tree）是各MST域内的一棵生成树。
  • MST域内每颗生成树都对应一个实例号，IST的实例号为0。实例0无论有没有配置都是存在的，没有映射到其他实例的VLAN默认都会映射到实例0，即IST上。
  • IST是CIST在MST域中的一个片段。
  • 拓扑中，由红线组成IST。
• 主桥（Master Bridge）也就是IST Master，它是域内距离总根最近的交换设备。
  • 如果总根在MST域中，则总根为该域的主桥。
  • 拓扑中，Master桥为黄色的网桥，即为S1/S4/S7。
• 构成单生成树SST（Single Spanning Tree）有两种情况：
  • 运行STP或RSTP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。
  • 拓扑中没有给出实例。

2.3 MSTI/MSTI域根

• MSTI
  • 一个MST域内可以存在多棵生成树，每棵生成树都称为一个MSTI。MSTI域根是每个多生成树实例的树根。域中不同的MSTI有各自的域根。
  • MSTI之间彼此独立，MSTI可以与一个或者多个VLAN对应。但一个VLAN只能与一个MSTI对应。
  • 每一个MSTI对应一个实例号，实例号从1开始，以区分实例号为0的IST。
  • 拓扑中，VLAN2映射到实例2，即MSTI 2；VLAN4映射到实例4，即MSTI 4。
• MSTI域根
  • MSTI域根是每个MSTI上优先级最高的网桥，MST域内每个MSTI可以指定不同的根。
  • 拓扑中，假设S9在MSTI 2中优先级最高，所以S9为MSTI 2中的域根；假设S8在MSTI 4中优先级最高，所以S8为MSTI 2中的域根。

2.4 MSTP端口角色

• MSTP在RSTP的基础上新增了2种端口
  • Master端口
  • 域边缘端口

• MSTP在RSTP的基础上新增了2种端口，MSTP的端口角色共有7种：根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口、边缘端口、Master端口和域边缘端口。
  • 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，在其它各实例上的角色都是Master端口。
    • 拓扑中，S7面向Region 1的端口为Master口。
  • 域边缘端口
    • MST域内网桥和其他MST域或者STP/RSTP网桥相连的端口为域边界端口。
    • 拓扑中，S8面向Region 2的端口为域边界端口。

由于网桥在不同MSTI上可以具有不同的角色，所以网桥端口在MSTI上可能有不同的角色。唯一例外的是Master端口，该端口在所有MSTI上的角色都相同，都为Master端口。

3 MSTP报文结构

• MSTP支持报文格式
  • dot1s
  • legacy

• 目前MSTP的BPDU报文存在两种格式：
  • dot1s：IEEE802.1s规定的报文格式。
  • legacy：私有协议报文格式。
  • 采用的端口收发MSTP报文格式可配置（stp compliance）功能，能够实现对BPDU报文格式的自适应。
• 无论是域内的MST BPDU还是域间的，除MST专有字段，其他消息和RST BPDU相同。
  • RST BPDU中的Root ID字段在MSTP中表示CIST中的总根ID。
  • EPC字段在MSTP中表示CIST外部路径开销，即发送此BPDU的网桥所属的域距离总根所属的域的CST路径开销。
  • Bridge ID字段在MSTP中表示CIST域根ID。
  • Port ID字段在MSTP表示MSTP中CIST指定端口ID。
  • MST专有字段：
    • Version 3 Length，Version3 BPDU的长度，用于对接收到的BPDU进行校验。
    • MST Configuration Identifier，MST配置标识，表示MST域的标签信息，包含4个字段。标识自己所在的区域。MST配置标识包括四部分数据结构，只有四部分设置都相同的相邻交换机才被认为是在同一个区域中。
      • Format Selector：配置标识格式选择符，长度为一个字节，固定设置为0。
      • Name：配置名称，也就是给交换机的MST域名，长度为32字节。每个交换机都配置一个MST域名，默认为交换机的MAC地址。
      • Digest：配置摘要，长度为16字节。相同区域的交换机应当维护相同的VLAN到MST Instance的映射表，可是MST配置表太大（8192字节），不适合在交换机之间相互发送。此字段是使用MD5算法从MST配置表中算出的摘要信息。
      • Revision Level：修订级别，长度为两个字节，默认取值为全0。由于Configuration Digest是MST配置表的摘要信息，因此有很小的可能MST配置表不同但摘要信息却相同的情况，这会导致本来不在同一区域的交换机认为在同一区域中，此字段是一个额外的标识字段，建议不同的区域使用不同的数值，以消除上述可能的错误的情况。
    • CIST Internal Root Path Cost，CIST内部路径开销指从本端口到IST Master交换设备的累计路径开销。CIST内部路径开销根据链路带宽计算。
    • CIST Bridge Identifier，CIST的指定交换设备ID，即发送此BPDU的交换机。
    • CIST Remaining Hops，BPDU报文在CIST中的剩余跳数。，用来限制MST的规模。从CIST域根开始，BPDU每经过一个网桥的转发，跳数就被减1；网桥丢弃收到的跳数为0的BPDU。
    • MSTI Configuration Messages(may be absent)，MSTI配置信息。
      • MSTI Flag，1个自己，第1位到第7位和RSTP定义的相同，第8位为Master标志位，表示该网桥是否为Master桥，取代RSTP中的TCA位。
      • MSTI region Root ID，表示该MST实例的域根ID。
      • MSTI IRPC，表示发送此BPDU的网桥到达MSTI域根的路径开销。
      • MSTI Bridge Priority，发送此BPDU的网桥的优先级。
      • MSTI Port Priority，发送此BPDU端口的优先级。
      • MSTI Remaining Hops，定义同CIST剩余跳数，表示BPDU在该MST实例中剩余跳数。

4 MSTP拓扑计算

• MSTP拓扑计算基本原理
  • MSTP将整个二层网络划分为多个MST域，各个域之间通过计算生成CST。域内则通过计算生成多棵生成树，每棵生成树都被称为是一个多生成树实例。其中实例0被称为IST，其他的多生成树实例为MSTI。MSTP同STP一样，使用配置消息进行生成树的计算，只是配置消息中携带的是设备上MSTP的配置信息。

4.1 比较原则

• CIST计算比较向量
  • 根交换设备ID，外部路径开销，域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID
• MSTI计算比较向量
  • 域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID
• 比较原则
  • 首先，比较根交换设备ID。
  • 如果根交换设备ID相同，再比较外部路径开销。
  • 如果外部路径开销相同，再比较域根ID。
  • 如果域根ID仍然相同，再比较内部路径开销。
  • 如果内部路径仍然相同，再比较指定交换设备ID。
  • 如果指定交换设备ID仍然相同，再比较指定端口ID。
  • 如果指定端口ID还相同，再比较接收端口ID。
• 向量解释
  • 根交换设备ID，根交换设备ID用于选择CIST中的根交换设备。根交换设备ID = Priority(16bits) + MAC(48bits)。其中Priority为MSTI0的优先级。
  • 外部路径开销（ERPC），从CIST的域根到达总根所在域的外部路径开销。MST域内所有交换设备上保存的外部路径开销相同。若CIST根交换设备在域中，则域内所有交换设备上保存的外部路径开销为0。
  • 域根ID，域根ID用于选择MSTI中的域根。域根ID = Priority(16bits) + MAC(48bits)。
  • 内部路径开销（IRPC），本桥到达域根的路径开销。
  • 指定交换设备，发送该BPDU的网桥。
  • 指定端口，指定交换设备上同本设备上根端口相连的端口。Port ID = Priority(4位) + 端口号（12位）。端口优先级必须是16的整数倍。
  • 接收端口，接收到BPDU报文的端口。Port ID = Priority(4位) + 端口号（12位）。端口优先级必须是16的整数倍。

如果端口接收到的BPDU内包含的配置消息优于端口上保存的配置消息，则端口上原来保存的配置消息被新收到的配置消息替代。端口同时更新交换设备保存的全局配置消息。反之，新收到的BPDU被丢弃。

4.2 CST计算

• CST比较向量
  • 总根，外部路径开销，域根ID，指定端口ID，接收端口ID

• CST和IST计算方式和RSTP类似。在进行CST计算时，将会把MST域看做逻辑上的一个网桥，其中网桥ID为IST域根的ID。
• CIST的比较向量为{根交换设备ID，外部路径开销，域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID}，但是在CST的计算中，比较向量为{总根，外部路径开销，域根ID，指定端口ID，接收端口ID}。
• 拓扑描述：
  • 假设网络中S1为Region1的域根，S4为Region2的域根，S7为Region3的域根。S1优先级最高，S4优先级最低，且各个路径开销相同。
  • 初始时，每个域被看做一个网桥，网桥ID为域根ID。每个域向其他域发送以该域根为总根的BPDU，外部开销为0。
  • 经过RSTP计算，可以确定S1为总根。
  • 经过外部路径开销，可以确定每个域根面向Region1的端口为Master端口。
  • 经过比较域根ID优先级，可以确定域边界端口的角色。

4.3 IST计算

• IST比较向量
  • 域根，内部路径开销，指定桥ID，指定端口ID，接收端口ID

• CST和IST计算方式和RSTP类似。在每个MST域内MSTP通过计算生成IST，CST和IST构成了整个交换设备网络的CIST。
• CIST的比较向量为{根交换设备ID，外部路径开销，域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID}，但是在IST的计算中，比较向量为{域根，内部路径开销，指定桥ID，指定端口ID，接收端口ID}。
• 拓扑描述：
  • CST计算完成之后，S1为Region1的域根，S4为Region2的域根，S7为Region3的域根。需要注意，此时的域根并不一定是各个域中优先级最高的网桥，而只是距离总根最近的网桥。
  • 域内以域根为根桥，结合内部路径开销确定各个网桥端口角色，最终得到IST。
  • 域内网桥通过比较内部路径开销确定IST根端口。
  • 通过比较BPDU的优先级确定IST上的端口角色。

5 MSTP与RSTP交互

• MSTP与RSTP交互
  • RSTP/STP网桥将MSTP域看做一个桥ID为域根ID的RSTP桥

• RSTP/STP网桥将MSTP域看做一个桥ID为域根ID的RSTP桥
• 当RSTP/STP网桥收到MST BPDU后，会提取BPDU中的{总根，外部路径开销，域根ID，指定端口ID}作为RSTP/STP的{RID，RPC，BID，PID}
• 当MSTP网桥收到RSTP/STP的BPDU后，会将BPDU中的{RID，RPC，BID，PID}对应到MSTP中，其中，BID作为MSTP中的域根ID，也作为指定交换机ID，内部路径开销为0。

6 MSTP快速收敛

• MSTP快速收敛
  • 普通方式P/A，同RSTP
  • 增强型方式P/A

• 在MSTP中，P/A机制工作过程如下：
  • 上游设备发送Proposal报文，请求进行快速迁移。下游设备接收到后，把与上游设备相连的端口设置为根端口，并阻塞所有非边缘端口。
  • 上游设备继续发送Agreement报文。下游设备接收到后，根端口转为Forwarding状态。
  • 下游设备回应Agreement报文。上游设备接收到后，把与下游设备相连的端口设置为指定端口，指定端口进入Forwarding状态。

缺省情况下，华为使用增强的快速迁移机制。如果华为设备与其他厂商的设备进行互通，而其他厂商的设备P/A机制使用普通的快速迁移机制，此时，可在华为设备上通过命令stp no-agreement-check设置P/A机制为普通的快速迁移机制，从而实现华为设备和其他厂商的设备进行互通。

7、生成树协议故障诊断

1. MSTP拓扑变化导致业务中断

• 检查MSTP组网内的端口状态是否正常
• 检查MSTP配置是否正确
  • 查看端口配置，是否使能了stp bpdu-filter enable
  • 与终端设备相连的端口MSTP是否处于边缘端口状态
  • 查看设备端口是否加入正确的VLAN
• 查看组网中是否有MSTP重新计算
  • 查看TC消息是否增长
• 查看是否有端口震荡
  • 通过日志查看使能MSTP的端口是否存在Up和Down状态频繁切换
• 检查MSTP的收敛模式是否是Normal

2. 当某个生成树实例的拓扑发生改变时，和它建立映射关系的VLAN的转发路径也将发生变化。此时，交换机的ARP表中与这些VLAN相关的表项也需要更新。STP的收敛方式不同，交换机对ARP表项的处理方式不同：

• 如果STP的收敛方式配置为fast，交换机将ARP表中的以上表项直接删除。
• 如果将STP的收敛方式配置为normal，交换机将ARP表中以上表项的剩余存活时间置为0，对这些表项进行老化处理。如果配置的ARP老化探测次数大于零，则ARP对这些表项进行老化探测。
• 若选择fast方式，频繁的ARP表项删除会影响业务，严重时可能会导致设备CPU占用率高达100%，报文处理超时导致网络震荡。

结语