浅论多生成树(MSTP)协议应用

摘 要： 本文介绍了生成树协议、快速生成树协议和多生成树协议原理，分析了环路交换网络生成树算法的收敛过程，总结了生成树协议和快速生成树协议的不足，进一步通过配置多生成树案例，总结多生成树的配置过程和要点。

关键词： 生成树 冗余 负载均衡

当网络设备或是链路出现故障和变动时，为了不让网络通讯出现明显中断，在园区网络上存在一定的冗余设计是有必要的。园区网的冗余部署包含三个环节，分别是：设备级冗余、链路级冗余和网关级冗余。

本文主要研究链路级冗余中的多生成树协议原理和应用技巧。我校每年都组织学生参加中职国赛项目“网络搭建与应用”比赛，该项目中多生成树协议正是必考点之一。我就教学中与竞赛辅导中的关于多生成树知识和配置技巧作论述。

一、为什么使用多生成树（MSTP）？

因为网桥不能隔离广播所以不能形成环路，如果交换网络中存在环路则会引起广播风暴、多帧复制、MAC地址表抖动等问题。

但在实际的园区网中，为了使网络可靠和稳定的运行，常常会把交换机连成环，以提供冗余路径。这就跟网桥不能成环的原则产生了矛盾。为了解决这一矛盾，我们应用生成树技术消除环路。但是由于生成树协议的缺陷，在实际工程应用中，往往会选用多生成树技术。

多生成树是一种理想的综合专线网络技术，它具有：①生成树的主要功能――消除数据链路层物理环路和网络冗余备份;②继承了快速生成树的快速收敛特性，网络收敛时间用户几乎感觉不到;③实现了二层流量的负载分担，避免了冗余线路的浪费。

二、多生成树协议（MSTP）的原理与配置

（一）生成树协议原理

生成树协议是一种纯二层协议，它通过STP算法，将特定的端口置于阻塞状态，实现既没有环路，又可以冗余的网络。

生成树协议的两个主要功能：①通过阻断冗余链路消除桥接网络中可能存在的路径回环。②当前活动路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。

1.生成树算法过程

初始，网桥所有的端口都处于监听状态（Listening），网桥之间互相传递配置消息（Config BPDU），根据配置消息的信息，通过下列几个选举措施避免环路。

①从所有网桥中选举一个根桥。

规则总结：对比网桥BID，BID小的优先。BID由网桥优先级和网桥MAC地址组成。如果网桥优先级相同，就比对网桥MAC，MAC小的优先。网桥优先级默认32768，可设置为4096倍数。

②为每个非根桥选择一个根端口。

非根桥的根端口为该端口到根桥的路径是此网桥到根桥的最佳路径。

规则总结：首先看到根桥的COST值，再看邻居的BID，然后看对端端口的PID（由端口优先级和端口标识组成），以上规则值越小越优先。

③为每个网段中选取一个指定端口。

为每个物理段选出离根桥最近的那个网桥作为指定网桥，该指定网桥到该物理段的端口作为指定端口，负责所在物理段上的数据转发。

规则总结：首先看到根桥的COST值，然后看网桥的BID，再看本端口PID。以上规则值越小越优先。

④阻塞非根、非指定端口，形成逻辑上无环路的拓扑结构。

根端口和指定端口进入学习状态（learning），15s（转发延迟）之后进入转发状态（Forwarding），并且同时接受转发来自于根的BPDU，维护拓扑。其他的冗余端口就处于阻塞状态（Blocking）。

⑤网络拓扑发生变化时。

发生变化的交换机会在根端口上每隔hello time时间就发送TCN BPDU（拓扑变化通知BPDU），直到生成树上游的指定网桥邻居确认了该TCN（拓扑变化通知）为止。当网络拓扑变化时，交换机必须重新计算STP，端口的状态会发生改变，重新收敛。

2.生成树协议不足

生成树协议有一个明显的缺陷： 收敛慢。一个大中型网络收敛时间大约需要50 秒。另一个缺陷是浪费了冗余链路的带宽。

（二）快速生成树协议

快速生成树协议为根端口和指定端口设置了快速切换用的替换端口（Alternate Port）和备份端口（Backup Port）两种角色。替代端口为根端口到根网桥的连接提供了替代路径，备份端口提供了到达同段网络的备份路径。这两种端口进入转发状态的延时大大缩短，从而缩短了网络最终达到拓扑稳定所需要的时间。

在只连接了两个交换端口的点对点链路中，指定端口只需与下游网桥进行一次握手就可以无时延地进入转发状态 。对于只连接终端的边缘端口（edge port）可以直接进入转发状态，不需要任何延时 。

RSTP虽然解决了收敛慢的问题，但还是单生成树，不支持基于VLAN的多生成树网络，仍然不能有效利用冗余链路做负载分担。

（三）多生成树协议

简单来说，MSTP就是基于VLAN的RSTP.它应用RSTP的快速收敛特性，允许多个具有相同拓扑的VLAN映射到一个生成树实例上，而这个生成树拓扑同其他生成树实例相互独立。

MSTP技术除保留了RSTP快速收敛的优点外，同时MSTP能够使用instance（实例）关联VLAN的方式为关各个实例提供独立的发送路径，实现多链路负载分担。

1.多生成树协议配置实例

如图，是中职国赛项目“网络搭建与应用”比赛常见的MSTP应用拓扑，要求创建2个实例。实例1关联vlan10，20，以RSWA为根桥，RSWB为备份根桥;实例2关联30，40，以RSWB为根桥，RSWA为备份根桥。

配置要点如下：

（1）SWA与SWB配置类似。

①SWA（config）#spanning-tree mode mstp //生成树类型。

②SWA（config）#spanning-tree mst configuration。

③SWA（config-mst）#name test //多生成树区域名称（相同区域必须一致）。

④SWA（config-mst）#revision 1 //多生成树区域修正号（相同区域必须一致）。

⑤SWA（config-mst）#instance 1 VLAN 10;20 //创建实例1，关联vlan10、vlan20， 每个实例都会生成一个独立的生成树（相同区域每个交换机VLAN和实例映射关系必须都一致）

⑥SWA（config-mst）#instance 2 VLAN 30;40。

⑦SWA（config）#spanning-tree //开启生成树。

（2）RSWA主要配置，其他配置类似SWA。

①RSWA（config）#spanning-tree mst 1 priority 4096 //实例1在RSWA的优先级为4096，比RSWB的优先级8192、SWA的默认优先级32768优先，所以RSWA为实例1的根桥。

②RSWA（config）#spanning-tree mst 2 priority 8192 //实例2在RSWA的优先级为8192，比RSWB的优先级4096低，而比SWA的默认优先级32768优先，所以RSWA为实例2的备份根桥。

（3）RSWB主要配置，其他配置类似SWA。

① RSWB（config）#spanning-tree mst 1 priority 8192

② RSWB（config）#spanning-tree mst 2 priority 4096

要点：配置的优先级与RSWA相反。

2.验证

（1）查看MSTP的配置结果。

在各个交换机特权模式使用“show spanning-tree mst configuration”，可查看到实例1关联VLAN 10、20，实例2关联VLAN 30、40。

（2）看生成树的全局配置及状态信息。

在各个交换机特权模式下使用“show spanning-tree”命令，可观察到谁是根桥和对比出谁是备份根桥等信息（通过对比各个根桥BID）。

3.配置过程中易遇到的问题

（1）生成树模式不对。

可通过show spanning-tree查看，模式若为STP或RSTP，通过spanning-tree mode mstp命令把模式改为MSTP。

（2）生成树没启用。

经常其他配置完成后忘记开启生成树，如配置完成后有问题存在，请先开启生成树试试。

（3）每台交换机配置的实例与VLAN映射，区域号，区域修正号必须一致。

配置完成后，如果检验不到正确信息，确认生成树开启，排除接线、和生成树模式问题，可检查各个交换机的实例与VLAN映射、区域号、区域修正号，若不一致就会出错。

（4）优先级配置。

为了负载均衡，会配置优先级为不同实例选择不同的根桥，注意在各个交换机上实例优先级的配置。

（5）如何确定备份根桥。

要掌握如何确定备份根桥的规则，通过对比各个根桥BID，第二小的为备份根桥。

4.多生成树协议配置小结

（1）选择生成树模式为MSTP;（2）配置生成树区域名称;（3）配置区域修正编号;（4）配置VLAN到Instance的关联; （5）调整设备在Instance中的优先级;

①使指定为根桥的交换机优先级最高（也就是优先级值最小）;

②使指定为备用根桥的交换机优先级次高。

（6）应该在全部配置完成后开启生成树。（有些设备需先开启才能配置）

三、结语

MSTP是基于STP的一个协议，要能正确地配置MSTP必须充分理解STP算法原理，掌握STP算法中根桥、根端口、指定端口的选举规则。网络拓扑是多种多样的，题目要求是多变的，必须抓住根本才能立于不败之地。

参考文献：

[1]张选波，吴丽征，周金玲.设备调试与网络优化学习指南.科学出版社，2009.

[2]张选波，王东，张国清.设备调试与网络优化实验指南.科学出版社，2009.