產(chǎn)生背景

在二層交換網(wǎng)絡中，一旦存在環(huán)路就會造成報文在環(huán)路內(nèi)不斷循環(huán)和增生，產(chǎn)生廣播風暴，從而占用所有的有效帶寬，使網(wǎng)絡變得不可用。在這種環(huán)境下生成樹協(xié)議應運而生，生成樹協(xié)議是一種二層管理協(xié)議，它通過有選擇性地阻塞網(wǎng)絡冗余鏈路來達到消除網(wǎng)絡二層環(huán)路的目的，同時具備鏈路的備份功能。生成樹協(xié)議和其他協(xié)議一樣，是隨著網(wǎng)絡的不斷發(fā)展而不斷更新?lián)Q代的。最初被廣泛應用的是IEEE 802.1D-1998 STP（Spanning Tree Protocol，生成樹協(xié)議），隨后以它為基礎產(chǎn)生了IEEE 802.1w RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成樹協(xié)議）、PVST（Per VLAN Spanning Tree，每VLAN生成樹）協(xié)議和IEEE 802.1s MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol，多生成樹協(xié)議）。

一、stp

網(wǎng)絡的環(huán)路問題：一旦網(wǎng)絡形成環(huán)路，會產(chǎn)生廣播風暴而造成網(wǎng)絡阻塞。spanning tree protocol是國際標準技術協(xié)議，用來在二層網(wǎng)絡解決環(huán)路的問題。stp協(xié)議的國際標準是802.1d（1998），并且經(jīng)過發(fā)展，逐漸產(chǎn)生RSTP、PVST、MSTP協(xié)議。

1、定義

stp協(xié)議的定義可以看成2個，一個是狹義的、一個是廣義的。廣義上stp是指stp協(xié)議組，包括STP、RSTP、PVST、MSTP協(xié)議；狹義上是指stp技術協(xié)議標準。本文中統(tǒng)一用后者來作為定義。stp采用的是自然樹的思想，因為樹不會有環(huán)路出現(xiàn)。

在學習stp離不開以下的概念：

根橋：（root bridge）：優(yōu)先級最高的交換機

根端口（root port）：負責接收根橋方向數(shù)據(jù)的端口

指定端口（designed port）：指定端口是根橋中負責向下發(fā)送數(shù)據(jù)的端口

路徑開銷（path cost）：數(shù)據(jù)在路徑傳輸?shù)倪^程中所有的損耗，不同的廠家計算的方法可能不同。下面應該會有提到。

Forward Delay：當拓撲發(fā)生變化，新的配置消息要經(jīng)過一定的時延才能傳播到整個網(wǎng)絡，這個時延稱為Forward Delay，協(xié)議默認值是15秒。

2、實現(xiàn)

信息交互單元是bpdu（bridge protocol data unit）又稱配置單元，他是二層報文，目的多播地址為01-80-c2-00-00-00。所有支持stp網(wǎng)橋都會接收并處理收到的bpdu報文。

（1）根橋選舉是通過橋的橋id（優(yōu)先級+mac）比較得到的，而且根橋的所有下游端口是指定端口。

（2）連接根橋的下游網(wǎng)橋將各自依據(jù)到根橋的路徑開銷來選擇一條鏈路作為到根橋的路徑，相應端口的角色就成為根端口。

（3）將根端口與指定端口連接起來就形成了生成樹，其他端口則處于阻塞狀態(tài)。

（4）生成經(jīng)過計算后穩(wěn)定，時間大概是30秒左右。端口的轉態(tài)分為轉發(fā)狀態(tài)和阻塞狀態(tài)，還有一個切換過渡的中間狀態(tài)。而且端口定時發(fā)送bpdu信號來維護生成樹。如果網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化，那么生成樹需要重新經(jīng)過計算來生成。時間大概也是30秒。

摘要：“STP的工作過程是：首先進行根橋的選舉。選舉的依據(jù)是網(wǎng)橋優(yōu)先級和網(wǎng)橋MAC地址組合成的橋ID，橋ID最小的網(wǎng)橋將成為網(wǎng)絡中的根橋，它的所有端口都連接到下游橋，所以端口角色都成為指定端口。接下來，連接根橋的下游網(wǎng)橋將各自選擇一條 “最粗壯”的樹枝作為到根橋的路徑，相應端口的角色就成為根端口。循環(huán)這個過程到網(wǎng)絡的邊緣，指定端口和根端口確定之后一棵樹就生成了。生成樹經(jīng)過一段時間（默認值是30秒左右）穩(wěn)定之后，指定端口和根端口進入轉發(fā)狀態(tài)，其他端口進入阻塞狀態(tài)。STP BPDU會定時從各個網(wǎng)橋的指定端口發(fā)出，以維護鏈路的狀態(tài)。如果網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化，生成樹就會重新計算，端口狀態(tài)也會隨之改變。這就是生成樹的基本原理。

隨著應用的深入和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，STP的缺點在應用中也被暴露了出來。STP的缺陷主要表現(xiàn)在收斂速度上。

當拓撲發(fā)生變化，新的配置消息要經(jīng)過一定的時延才能傳播到整個網(wǎng)絡，這個時延稱為Forward Delay，協(xié)議默認值是15秒。在所有網(wǎng)橋收到這個變化的消息之前，若舊拓撲結構中處于轉發(fā)的端口還沒有發(fā)現(xiàn)自己應該在新的拓撲中停止轉發(fā)，則可能存在臨時環(huán)路。為了解決臨時環(huán)路的問題，STP使用了一種定時器策略，即在端口從阻塞狀態(tài)到轉發(fā)狀態(tài)中間加上一個只學習MAC地址但不參與轉發(fā)的中間狀態(tài)，兩次狀態(tài)切換的時間長度都是Forward Delay，這樣就可以保證在拓撲變化的時候不會產(chǎn)生臨時環(huán)路。但是，這個看似良好的解決方案實際上帶來的卻是至少兩倍Forward Delay的收斂時間，這在某些實時業(yè)務（如語音視頻）中是不能接受的。”

4、缺陷

（1）stp的收斂速度較慢。一般的forward delay協(xié)議（端口的轉態(tài)轉換時間），默認為15秒。在計算生成樹的時間是15s，拓撲發(fā)生變化的重新生成樹時間也是30s，因為端口狀態(tài)的一次轉換為forward delay，端口的變化過程是“阻塞-->中間-->轉發(fā)”或“轉發(fā)-->中間-->阻塞”，發(fā)生了兩次的端口狀態(tài)變化。 協(xié)議的收斂時間不合適延時低的業(yè)務，如語音和視頻；如果是大型網(wǎng)絡，拓撲可能頻繁變化，重新生成stp，造成計算資源的浪費。

(2)stp采用阻塞端口的方式來解決環(huán)路問題，對網(wǎng)絡資源造成了浪費。

二、RSTP

為了解決STP的收斂速度缺陷，2001年IEEE定義了基于IEEE 802.1w（已經(jīng)合入IEEE 802.1D-2004）標準的快速生成樹協(xié)議RSTP。RSTP在STP基礎上做了三點重要改進，加快了收斂速度（最快可在1秒以內(nèi)）：

(1) 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。當根端口失效的情況下，替換端口就會快速轉換為新的根端口并無時延地進入轉發(fā)狀態(tài)；當指定端口失效的情況下，備份端口就會快速轉換為新的指定端口并進入轉發(fā)狀態(tài)。

(2)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(wǎng)橋進行一次握手就可以無時延地進入轉發(fā)狀態(tài)。如果是連接了三個以上網(wǎng)橋的共享鏈路，下游網(wǎng)橋是不會響應上游指定端口發(fā)出的握手請求的，只能等待兩倍Forward Delay時間進入轉發(fā)狀態(tài)。

(3)直接與終端相連而不與其他網(wǎng)橋相連的端口定義為邊緣端口（Edge Port）。邊緣端口可以直接進入轉發(fā)狀態(tài)，不需要任何延時。由于網(wǎng)橋無法知道端口是否是直接與終端相連，所以需要人工配置。

RSTP相對于STP的確有很多改進，并且向下兼容STP，可以混合組網(wǎng)。但是，RSTP和STP一樣同屬于SST（Single Spanning Tree，單生成樹），有它自身的諸多缺陷，主要表現(xiàn)在三個方面：

(1) 由于整個交換網(wǎng)絡只有一棵生成樹，在網(wǎng)絡規(guī)模比較大的時候會導致較長的收斂時間。

(2)因為RSTP是單生成樹協(xié)議，所有VLAN共享一棵生成樹，為了保證VLAN內(nèi)部可以正常通信，網(wǎng)絡內(nèi)每個VLAN都必須沿著生成樹的路徑方向連續(xù)分布，否則將會出現(xiàn)有的VLAN由于內(nèi)部鏈路被阻塞而被分隔開，從而導致VLAN內(nèi)部無法通信的問題。

(3)當某條鏈路被阻塞后將不承載任何流量，無法實現(xiàn)負載均衡，造成了帶寬的極大浪費。這些缺陷都是單生成樹無法克服的，于是支持VLAN的PVST和MSTP出現(xiàn)了。

vlan的問題？？？

三、PVST

在每個VLAN中生成一棵樹，是一種直接簡單的解決RSTP缺陷的方法。基于此思想，PVST協(xié)議應運而生，它能夠保證每一個VLAN都不存在環(huán)路。

PVST協(xié)議可以簡單理解為在每個VLAN上運行一個RSTP，不同VLAN之間的生成樹完全獨立。根據(jù)端口類型的不同，PVST收發(fā)的BPDU的格式也有所不同：

對于Access端口，PVST協(xié)議收發(fā)標準的RSTP BPDU。

對于Trunk和Hybrid端口，在所有允許通過的VLAN內(nèi)收發(fā)各自的PVST BPDU，同時在其中的VLAN 1內(nèi)收發(fā)標準的RSTP BPDU。

PVST BPDU 和RSTP BPD的內(nèi)容相同，僅以太網(wǎng)的封裝格式不同。 PVST協(xié)議在VLAN間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的負載均衡，有效地提高了鏈路帶寬的利用率，同時也帶來了新問題，主要有以下缺點：

(1) 由于每個VLAN都需要生成一棵樹，PVST BPDU的通信量將正比于Trunk端口允許通過的VLAN數(shù)量。

(2) 在VLAN數(shù)量比較多時，維護多棵生成樹的計算量和資源占用量將急劇增長。特別是當允許通過很多VLAN的Trunk端口狀態(tài)變化時，所有生成樹的狀態(tài)都要重新計算，網(wǎng)絡設備的CPU將不堪重負。

上述缺點限制了運行PVST的VLAN端口數(shù)量，對PVST的部署產(chǎn)生較大影響，這些缺點在MSTP中得到了解決。

1.2 MSTP技術優(yōu)點

MSTP是IEEE 802.1s（已經(jīng)合入IEEE 802.1Q-2011）中定義的一種新型生成樹協(xié)議，相對于之前的生成樹協(xié)議，優(yōu)勢非常明顯。MSTP的特點如下：

MSTP引入“域”的概念，把一個交換網(wǎng)絡劃分成多個域。每個域內(nèi)形成多棵生成樹，生成樹之間彼此獨立；在域間，MSTP利用CIST保證全網(wǎng)絡拓撲結構的無環(huán)路存在。
MSTP引入“實例（Instance）”的概念，將多個VLAN映射到一個實例中，以節(jié)省通信開銷和資源占用率。MSTP各個實例拓撲的計算是獨立的（每個實例對應一棵單獨的生成樹），在這些實例上就可以實現(xiàn)VLAN數(shù)據(jù)的負載分擔。
PVST最多支持 4096個VLAN，而MSTP最多可支持65個實例，因此其所需資源和計算量都大大降低。
MSTP BPDU中包含所有實例的信息，因此MSTP相比于PVST，報文數(shù)量大大降低。
MSTP可以實現(xiàn)類似RSTP的端口狀態(tài)快速遷移機制。
MSTP兼容STP和RSTP。

參考：華三生成樹協(xié)議技術白皮書

預則立，不預則廢

總結

以上是生活随笔為你收集整理的stp生成树协议的学习----华三技术白皮书的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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