使用MSTP实现冗余备份负载均衡的组网方案

【摘要】随着计算机网络的普及以及国家信息化的推进，各个企事业单位和个人对计算机网络通信的需求与依赖越来越深入。很多重要的数据、资源和业务都通过网络来完成。本文通过分析和比较几种常用的生成树协议，介绍了在企业网络组建中使用多生成树协议MSTP，即提供了链路的冗余备份，又实现了负载均衡，使之合理最大化利用网络资源的网络规划方案。

【关键词】生成树协议;MSTP;组网方案

一、企业对网络的需求

由于企业信息化的程度越来越高，所以对网络的速度、安全性、稳定性和健壮性的要求也越来越高。一些信息化程度较高的企业甚至一时一刻也离不开网络，如果企业网络出现故障就会导致严重的后果和重大的损失。

总结起来，企业需要一个高速、可靠、稳定、高性价比的网络。要规划满足企业需要的网络，在设计网络的过程中主要考虑设备的选择、部署、配置与合理利用几个方面。通常使用双机备份的设计方式来保证网络的可靠性与稳定性，如图1所示是一个典型的中小型企业网络的内部网络拓扑图，此拓扑图中的接入层只列举了四个部门，只要接口足够接入层是可以扩展多个部门的。设备的选购不在本文的讨论范围内，在这种情况下，就只需要讨论如何合理的配置设备，提高设备的利用率，从而达到在同样的设备上实现更快的速度。

图1 典型企业网络拓扑图

二、网络协议的选择

采用如图1所示的拓扑图，在汇聚层使用双机备份，通过冗余的方式提高的网络可靠性，这是一种最基本和常见的解决方案。但是使用这种设计方式就会产生很多问题，首先在拓扑图中出现了两个环路，就会导致广播风暴;其次从财务部的主机发一个广播数据帧，到达生产部就有两条链路可以送达，一是从接入层交换机A到汇聚层交换机A到接入层交换机B送达生产部主机，二是从接入层交换机A到汇聚层交换机A到汇聚层交换机B再到接入层交换机B送达目的地生产部主机，广播的数据帧会通过这样两条不同的链路广播出去，在生产部的主机就会收到两个同样的数据帧;最后由于有多条链路可以到达目的地址，还会导致MAC地址表不稳定等问题。早期较为成熟的技术是使用STP生成树协议来解决以上问题。

1.生成树协议简介

生成树协议是一种运行在OSI模型中第二层的协议，该协议是利用生成树算法，将以太网中出现环路的交换机链路修剪成树状的拓扑结构，来避免环路[1]。

2.通过阻断端口防止环路

通过阻断端口防止环路的协议主要有使用IEEE 802.1D STP和IEEE 802.1w RSTP。这些协议是利用生成树算法，通过比较网络中交换机优先级选取根网桥/交换机，然后通过比较到达根网桥/交换机链路的带宽和端口优先级，依次选取根端口，指定端口即转发端口，阻断剩余的端口，来避免环路[2]。

3.通过阻断端口防止环路的局限性

STP虽然能够解决二层环路问题，但收敛速度过慢，在网络拓扑发生变化后，不能够快速的达到稳定状态，已经不能满足当前网络速度的需要[3]。

而RSTP由于是单生成树协议，网络收敛后只有一个设备工作，而另一个备份设备在网络正常运行时处于闲置状态，网络设备的利用率不高，造成了资源的浪费，也不是最好的解决方案。

三、使用MSTP多生成树协议设计网络

1.使用MSTP的优势

IEEE 802.1s中提出的MSTP是一种在STP和RSTP基础上发展而来的升级协议，它兼容STP和RSTP，既继承了RSTP快速收敛的优点，又弥补了STP和RSTP的缺陷[4]。

2.使用MSTP的特点

MSTP增加了“域”和“实例”的概念，来管理交换网络和VLAN。域就是连接在一起的具有相同域信息的交换机的几何，类似于自治系统。把一个交换网络划分成若干个域，在每个域内形成多棵彼此独立的生成树[5]。

MSTP设置VLAN映射表，把VLAN和生成树联系起来;MSTP中的实例与VLAN采取一对多的映射关系。每个实例对应一棵单独的生成树，从而实现VLAN数据的负载分担。

3.使用MSTP的主要概念

（1）域根和总根

域根是指多生成树域内，内部生成树和多生成树实例的树根。多生成树域内各棵生成树的拓扑不同，域根也可能不同。总根是指连接交换网络内所有多生成树域的单生成树的树根[6]。

（2）端口角色

在MSTP的计算过程中，端口角色主要有根端口、指定端口、多生成树与到总跟的端口、域边缘端口、多生成树与到总跟的备份端口[7]。

（3）端口状态

MSTP中端口状态有forwarding状态：既转发用户流量又接收/发送BPDU报文;learn-ing状态：接收/发送BPDU报文;discarding状态：只接收BPDU报文三种[8]。

4.规划网络ip地址

本企业网络模型，内部网络以典型的双汇聚、双接入为例，可拓展性较强。销售部、财务部、生产部各在一个VLAN中，为了有通用性，将销售部分别连接到两台交换机中，加入到Vlan 10中，IP地址分别为192.168.1.10/24和192.168.1.20/24，生产部所有信息点加入到Vlan 20中，财务部所有信息点加入到Vlan 30中。

四、在网络设备上配置MSTP

1.设置COST值

指定了一个MSTP实例的根桥后，便开始选择这个实例的根端口、指定端口、替代端口以及备份端口[9]。在收敛过程中，根据各端口到根桥的路径COST值来确定端口状态。计算出合适的根路径COST值，就可以按需求来阻塞端口。

根路径的COST值为0，每当根桥发送的BPDU报文每进入一台交换机，COST值就会累加一次。实际应用中当企业网络中情况相对复杂时，如果希望指定某一个端口为某一个实例的根端口就会很困难，合理的计算COST值就可以解决这个问题。

2.汇聚层交换机配置

在汇聚层交换机中配置MSTP首先要开启生成树采用MSTP生成树模式，然后配置相应的端口模式为Trunk，再配置优先级，最后配置MSTP的实例与VLAN相关联即可。汇聚层B的配置与汇聚层A原理相同，汇聚层A交换机的主要配置命令如表1所示。

3.接入层交换机配置

在接入层交换机中配置MSTP首先要开启生成树采用MSTP生成树模式，然后创建VLAN分配指定的端口到相应的VLAN中，再配置相应的端口模式为Trunk，，最后配置MSTP的实例与VLAN相关联即可。接入层B的配置与接入层A原理相同，接入层A交换机的主要配置命令如表2所示。

MSTP协议通过管理不同的实例，是不同的VLAN的流量沿着不同路径转发，实现了主干链路于冗余链路的负载分担机制，极大的提高了冗余链路的利用率。同时MSTP由RSTP发展而来也继承了快速收敛的优势。本文以一个典型的企业网络的拓扑为基础，详细的阐述了使用MSTP协议在满足了网络冗余备份和可靠性的同时，实现负载均衡的企业网络设计方案。

参考文献

[1]陈荣.浅析生成树协议原理及其实验设计[J].信息与电脑（理论版），2011（05）.

[2]王炅，张华，谢储晖.生成树协议的算法分析[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011（05）.

[3]杭州华三通信技术有限公司.构建企业级交换网络（V5.1）[Z].

[4]王岩.校园实训楼以太网设计中的交换环路研究[J].电脑知识与技术，2011（23）.

[5]唐俊勇，郝海燕.MSTP协议在单区域内实现网络负载均衡[J].新技术新工艺，2010（09）.

[6]袁修春.多生成树协议在组网中的应用[J].现代计算机（专业版），2010（04）.

[7]杭州华三通信技术有限公司.MSTP技术白皮书[Z].

[8]卢鹏.使用MSTP+VRRP技术实现校园网改造[J].科技传播，2010（14）.

[9]王辉，唐俊勇.基于MSTP协议动态网络的负载均衡算法设计[J].工业仪表与自动化装置，2011（10）.

作者简介：雷学智（1980―），男，辽宁辽阳人，硕士，辽宁建筑职业学院讲师，研究方向：计算机网络。