淺論多生成樹（MSTP）協議應用

林火焰

摘 ? ?要： 本文介紹了生成樹協議、快速生成樹協議和多生成樹協議原理，分析了環路交換網絡生成樹算法的收斂過程，總結了生成樹協議和快速生成樹協議的不足，進一步通過配置多生成樹案例，總結多生成樹的配置過程和要點。

關鍵詞： 生成樹 ? ?冗余 ? ?負載均衡

當網絡設備或是鏈路出現故障和變動時，為了不讓網絡通訊出現明顯中斷，在園區網絡上存在一定的冗余設計是有必要的。園區網的冗余部署包含三個環節，分別是：設備級冗余、鏈路級冗余和網關級冗余。

本文主要研究鏈路級冗余中的多生成樹協議原理和應用技巧。我校每年都組織學生參加中職國賽項目“網絡搭建與應用”比賽，該項目中多生成樹協議正是必考點之一。我就教學中與競賽輔導中的關于多生成樹知識和配置技巧作論述。

一、為什么使用多生成樹（MSTP）？

因為網橋不能隔離廣播所以不能形成環路，如果交換網絡中存在環路則會引起廣播風暴、多幀復制、MAC地址表抖動等問題。

但在實際的園區網中，為了使網絡可靠和穩定的運行，常常會把交換機連成環，以提供冗余路徑。這就跟網橋不能成環的原則產生了矛盾。為了解決這一矛盾，我們應用生成樹技術消除環路。但是由于生成樹協議的缺陷，在實際工程應用中，往往會選用多生成樹技術。

多生成樹是一種理想的綜合專線網絡技術，它具有：①生成樹的主要功能——消除數據鏈路層物理環路和網絡冗余備份;②繼承了快速生成樹的快速收斂特性，網絡收斂時間用戶幾乎感覺不到;③實現了二層流量的負載分擔，避免了冗余線路的浪費。

二、多生成樹協議（MSTP）的原理與配置

（一）生成樹協議原理

生成樹協議是一種純二層協議，它通過STP算法，將特定的端口置于阻塞狀態，實現既沒有環路，又可以冗余的網絡。

生成樹協議的兩個主要功能：①通過阻斷冗余鏈路消除橋接網絡中可能存在的路徑回環。②當前活動路徑發生故障時，激活冗余備份鏈路，恢復網絡連通性。

1.生成樹算法過程

初始，網橋所有的端口都處于監聽狀態（Listening），網橋之間互相傳遞配置消息（Config BPDU），根據配置消息的信息，通過下列幾個選舉措施避免環路。

①從所有網橋中選舉一個根橋。

規則總結：對比網橋BID，BID小的優先。BID由網橋優先級和網橋MAC地址組成。如果網橋優先級相同，就比對網橋MAC，MAC小的優先。網橋優先級默認32768，可設置為4096倍數。

②為每個非根橋選擇一個根端口。

非根橋的根端口為該端口到根橋的路徑是此網橋到根橋的最佳路徑。

規則總結：首先看到根橋的COST值，再看鄰居的BID，然后看對端端口的PID（由端口優先級和端口標識組成），以上規則值越小越優先。

③為每個網段中選取一個指定端口。

為每個物理段選出離根橋最近的那個網橋作為指定網橋，該指定網橋到該物理段的端口作為指定端口，負責所在物理段上的數據轉發。

規則總結：首先看到根橋的COST值，然后看網橋的BID，再看本端口PID。以上規則值越小越優先。

④阻塞非根、非指定端口，形成邏輯上無環路的拓撲結構。

根端口和指定端口進入學習狀態（learning），15s（轉發延遲）之后進入轉發狀態（Forwarding），并且同時接受轉發來自于根的BPDU，維護拓撲。其他的冗余端口就處于阻塞狀態（Blocking）。

⑤網絡拓撲發生變化時。

發生變化的交換機會在根端口上每隔hello time時間就發送TCN BPDU（拓撲變化通知BPDU），直到生成樹上游的指定網橋鄰居確認了該TCN（拓撲變化通知）為止。當網絡拓撲變化時，交換機必須重新計算STP，端口的狀態會發生改變，重新收斂。

2.生成樹協議不足

生成樹協議有一個明顯的缺陷： 收斂慢。一個大中型網絡收斂時間大約需要50 秒。另一個缺陷是浪費了冗余鏈路的帶寬。

（二）快速生成樹協議

快速生成樹協議為根端口和指定端口設置了快速切換用的替換端口（Alternate Port）和備份端口（Backup Port）兩種角色。替代端口為根端口到根網橋的連接提供了替代路徑，備份端口提供了到達同段網絡的備份路徑。這兩種端口進入轉發狀態的延時大大縮短，從而縮短了網絡最終達到拓撲穩定所需要的時間。

在只連接了兩個交換端口的點對點鏈路中，指定端口只需與下游網橋進行一次握手就可以無時延地進入轉發狀態 。對于只連接終端的邊緣端口（edge port）可以直接進入轉發狀態，不需要任何延時 。

RSTP雖然解決了收斂慢的問題，但還是單生成樹，不支持基于VLAN的多生成樹網絡，仍然不能有效利用冗余鏈路做負載分擔。

（三）多生成樹協議

簡單來說，MSTP就是基于VLAN的RSTP.它應用RSTP的快速收斂特性，允許多個具有相同拓撲的VLAN映射到一個生成樹實例上，而這個生成樹拓撲同其他生成樹實例相互獨立。

MSTP技術除保留了RSTP快速收斂的優點外，同時MSTP能夠使用instance（實例）關聯VLAN的方式為關各個實例提供獨立的發送路徑，實現多鏈路負載分擔。

1.多生成樹協議配置實例

如圖，是中職國賽項目“網絡搭建與應用”比賽常見的MSTP應用拓撲，要求創建2個實例。實例1關聯vlan10，20，以RSWA為根橋，RSWB為備份根橋;實例2關聯30，40，以RSWB為根橋，RSWA為備份根橋。

配置要點如下：

（1）SWA與SWB配置類似。

①SWA（config）#spanning-tree mode mstp //生成樹類型。

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

③SWA（config-mst）#name test //多生成樹區域名稱（相同區域必須一致）。

④SWA（config-mst）#revision 1 //多生成樹區域修正號（相同區域必須一致）。

⑤SWA（config-mst）#instance 1 VLAN 10;20 //創建實例1，關聯vlan10、vlan20， 每個實例都會生成一個獨立的生成樹（相同區域每個交換機VLAN和實例映射關系必須都一致）

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

⑦SWA（config）#spanning-tree //開啟生成樹。

（2）RSWA主要配置，其他配置類似SWA。

①RSWA（config）#spanning-tree mst 1 priority 4096 //實例1在RSWA的優先級為4096，比RSWB的優先級8192、SWA的默認優先級32768優先，所以RSWA為實例1的根橋。

②RSWA（config）#spanning-tree mst 2 priority 8192 //實例2在RSWA的優先級為8192，比RSWB的優先級4096低，而比SWA的默認優先級32768優先，所以RSWA為實例2的備份根橋。

（3）RSWB主要配置，其他配置類似SWA。

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

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

要點：配置的優先級與RSWA相反。

2.驗證

（1）查看MSTP的配置結果。

在各個交換機特權模式使用“show spanning-tree mst configuration”，可查看到實例1關聯VLAN 10、20，實例2關聯VLAN 30、40。

（2）看生成樹的全局配置及狀態信息。

在各個交換機特權模式下使用“show spanning-tree”命令，可觀察到誰是根橋和對比出誰是備份根橋等信息（通過對比各個根橋BID）。

3.配置過程中易遇到的問題

（1）生成樹模式不對。

可通過show spanning-tree查看，模式若為STP或RSTP，通過spanning-tree mode mstp命令把模式改為MSTP。

（2）生成樹沒啟用。

經常其他配置完成后忘記開啟生成樹，如配置完成后有問題存在，請先開啟生成樹試試。

（3）每臺交換機配置的實例與VLAN映射，區域號，區域修正號必須一致。

配置完成后，如果檢驗不到正確信息，確認生成樹開啟，排除接線、和生成樹模式問題，可檢查各個交換機的實例與VLAN映射、區域號、區域修正號，若不一致就會出錯。

（4）優先級配置。

為了負載均衡，會配置優先級為不同實例選擇不同的根橋，注意在各個交換機上實例優先級的配置。

（5）如何確定備份根橋。

要掌握如何確定備份根橋的規則，通過對比各個根橋BID，第二小的為備份根橋。

4.多生成樹協議配置小結

（1）選擇生成樹模式為MSTP;（2）配置生成樹區域名稱;（3）配置區域修正編號;（4）配置VLAN到Instance的關聯; （5）調整設備在Instance中的優先級;

①使指定為根橋的交換機優先級最高（也就是優先級值最小）;

②使指定為備用根橋的交換機優先級次高。

（6）應該在全部配置完成后開啟生成樹。（有些設備需先開啟才能配置）

三、結語

MSTP是基于STP的一個協議，要能正確地配置MSTP必須充分理解STP算法原理，掌握STP算法中根橋、根端口、指定端口的選舉規則。網絡拓撲是多種多樣的，題目要求是多變的，必須抓住根本才能立于不敗之地。

參考文獻：

[1]張選波，吳麗征，周金玲.設備調試與網絡優化學習指南.科學出版社，2009.

[2]張選波，王東，張國清.設備調試與網絡優化實驗指南.科學出版社，2009.