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  • MSTP协议原理与配置

    2020-07-29 13:49:10
    MSTP协议原理与配置 前言: RSTP在STP的基础上进行了改进,加快了网络收敛的速度,但RSTP的很大缺点在于:局域网中所有的VLAN都共享这一棵生成树,因此被阻塞后链路将不再承载任何流量,无法在VLAN之间实现数据的...

    MSTP协议原理与配置

    前言: RSTP在STP的基础上进行了改进,加快了网络收敛的速度,但RSTP的很大缺点在于:局域网中所有的VLAN都共享这一棵生成树,因此被阻塞后链路将不再承载任何流量,无法在VLAN之间实现数据的负载均衡。因此,在IEEE802.1s中提出了多区域生成数协议(MSTP)来解决该问题。在华为设备中,默认情况下的STP模式为MSTP。

    单生成树的弊端

    部分VLAN路径不通

    在这里插入图片描述
    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。

    实验验证

    实验拓扑如下(注:为了试验效果,以下的交换机运行的STP模式为RSTP):
    在这里插入图片描述
    查看SWC上的端口情况
    在这里插入图片描述

    在SWC上的配置如下:

    [SWC]vlan batch 2 3
    [SWC-GigabitEthernet0/0/3]port link-type access 
    [SWC-GigabitEthernet0/0/3]port default vlan 2
    [SWC-GigabitEthernet0/0/4]port link-type access 
    [SWC-GigabitEthernet0/0/4]port default vlan 3
    [SWC-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk 
    [SWC-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 2
    [SWC-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
    [SWC-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 2 3
    

    在SWB上的配置如下:

    [SWB]vlan batch 2 3
    [SWB-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk 
    [SWB-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 2 3
    [SWB-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
    [SWB-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 2 3
    [SWB-GigabitEthernet0/0/4]port link-type access 
    [SWB-GigabitEthernet0/0/4]port default vlan 2
    [SWB-GigabitEthernet0/0/5]port link-type access 
    [SWB-GigabitEthernet0/0/5]port default vlan 3
    

    使用PC1去ping PC3的结果如下所示:
    在这里插入图片描述
    使用PC2 去ping PC5的结果如下所示:
    在这里插入图片描述
    可见,VLAN 3的路径不通

    对于以上问题的解决方法有两种:

    1. 修改SWC上的配置,将GE0/0/2接口改成允许VLAN 2 3 通过,如下所示
      在这里插入图片描述

    2. 将交换机的STP 模式配置为MSTP

    对于上述第一种解决方法,固然可以有效解决,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。

    MSTP的基本原理

    多生成树实例

    在这里插入图片描述

    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。

    • 一个MST域内可以生成多棵生成树,每棵生成树都称为一个MSTI,每个MSTI都使用单独的RSTP算法,计算单独的生成树。
    • 每个MSTI(MST Instance)都有一个标识(MSTID),MSTID是一个两字节的整数。VRP平台支持16个MST Instance,MSTID取值范围是0~15,默认所有VLAN映射到MST Instance 0。
    • VLAN映射表是MST域的属性,它描述了VLAN和MSTI之间的映射关系,MSTI可以与一个或多个VLAN对应,但一个VLAN只能与一个MSTI对应。
    • MSTP兼容STP和RSTP,既可以快速收敛,又提供了数据转发的各个冗余路径,在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

    MSTP实例配置

    配置思路:

    1. 进入MST域视图
    2. 配置MST域名
    3. 配置VLAN映射表
    4. 激活MST域的配置

    以上图中的SWC为例,具体配置如下:

    在这里插入图片描述

    查看配置情况:
    在这里插入图片描述
    这时再用PC2的数据包就可以发送到PC5上了,用PC2去ping PC5,结果如下:
    在这里插入图片描述
    抓包情况如下:
    在这里插入图片描述
    现在对每个生成树实例进行查看
    在这里插入图片描述
    (从图中可以看到,SWC上有三个接口允许通过VLAN 2,两个接口允许通过VLAN 3,所以instance 1有三个接口,instance 2 有两个接口,实例之间相互独立,互不影响)
    假如将SWC的stp模式改为rstp,其他的交换机不变会怎么样?
    我们将SWC在instance 1 的优先级改成0,

    [SWC]stp instance 1 priority 0
    

    看会不会影响根桥的选举,结果如下:
    在这里插入图片描述
    可见,SWA仍然为根桥,并没有受到影响。
    这时,我们将SWC的stp模式改为MSTP,再同样的修改SWC在instance 1 的优先级为0,再次观察SWA上的端口情况
    在这里插入图片描述
    可见,这时SWA已经变成了非根桥。
    说明只有支持MSTP的设备才能正常参与生成树实例的根桥选举。

    展开全文
  • H3C_STP_RSTP_MSTP协议原理及配置。。。。。。。。。。。。。。。。。
  • 生成树协议STP、RSTP和MSTP原理的理解

    万次阅读 多人点赞 2018-12-20 22:15:17
    在组网中,很可能会...生成树协议(STP、RSTP、MSTP)就可以实现这样的功能。 STP(802.1D,SpanningTreeProtocol,生成树协议) 基本思想 将网络的拓扑修剪为树形拓扑,拓扑图形状与一棵树相似,这样就不会...

    在组网中,很可能会出现环路或者称冗余链路,为避免形成广播风暴,需要一种方法来避免形成环路,并且在主链路故障中断时候,可以将冗余链路自动切换为转发状态,以恢复网络的连通性。生成树协议(STP、RSTP、MSTP)就可以实现这样的功能。

    STP(802.1D,Spanning Tree Protocol,生成树协议)

    基本思想

    将网络的拓扑修剪为树形拓扑,拓扑图形状与一棵树相似,这样就不会产生环路了。

    原理(标黑的会在后面做详细介绍)

    1. 在每个运行STP协议的设备上依据一定的准则选举出一个树根节点作为网络中的根桥,其他节点为非树根节点
    2. 每一个非树根节点,会选择最优的路径和根桥相连,每个非树根节点上位于最优路径的端口,为该非树根节点的根端口
    3. 如果非树根节点存在冗余链路,则会对相应端口进行阻塞

    基本概念介绍

    根桥(Root Bridge):是整个生成树的根节点,所有网桥中优先级最高的桥。

    指定桥(Designate Bridge):负责一个物理段(相对于两个网桥而言是一个物理段)上数据转发任务的桥。

    根端口(Root Port):指一个网桥上距离跟桥最近的端口。根桥上没有根端口,只有非根桥上有且仅有一个根端口。

    指定端口(Designate Port):指定桥上的端口,就是用于转发生成树信息报文的端口。根桥上全是指定端口。

    候补端口(Alternate Port):用来为根端口或指定端口做备份的端口,即为最终需要阻塞的端口。

    桥ID(Bridge ID):每一个运行STP协议的网桥都会有一个桥ID,用于在网络中唯一标识一个桥,由桥优先级和桥MAC地址组成,桥优先级占2字节,桥MAC地址占6个字节。桥优先级只能是4096的整数倍,最大为61440,默认为32768。

    路径开销(Path Cost):STP中每条链路都具有开销值,默认的开销值取决于链路的带宽,带宽越大,开销越小。例如IEEE标准的开销,链路速度为10Gbps开销为2,速度为100Mbps时开销为19,速度为10Mbps时候开销为100。

    BPDU(Bridge Protocol  Data Unit,桥协议数据单元):用于网桥之间传递BPDU来交互协议信息。BPDU分为配置BPDU和TCN BPDU。配置BPDU用来进行生成树的计算和维护生成树拓扑的报文。TCN BPDU是当拓扑结构改变时候,用来通知相关桥设备网络拓扑结构发生变化的报文。

    BPDU报文分析

    Protocol Identifier:固定为0x0000,表示是生成树协议

    Protocol Version Identifier:协议版本号,STP版本号为0x00

    BPDU Type:配置BPDU类型为0x00,TCN BPDU类型为0x80

    Flags:由8位组成,最低位为TC标志位,最高位为TCA标志位,其他6位保留。当拓扑结构变化时候,下游网桥将会从根端口发送TCN BPDU报文,TC标志位置为1,上游网桥收到后进行相应处理,回复配置BPDU报文,TCA标志位置为1.

    Root Identifier:根桥ID,包含优先级和MAC地址,标识网络中的根桥。

    Root Path Cost:根路径开销,指从发送该配置BPDU的网桥到根网桥的最小路径开销,是所有链路开销的代数和。

    Bridge Identifier:发送该配置BPDU的网桥ID,即该指定桥的ID。

    Port Identifier:发送该配置BPDU的网桥的发送端口ID。

    Message Age:从根桥生成配置BPDU开始,到当前时间为止配置BPDU的存活时间。

    Max Age:配置BPDU存活的最大时间。

    Hello Time:根桥生成并发送配置BPDU的周期,默认为2s

    Forward Delay:配置BPDU传播到全网的最大时延,默认为15s

    接口状态

    状态名称

    状态描述

    禁用(Disable)

    不能收发BPDU,也不能收发数据帧

    阻塞(Blocking)

    该接口被STP阻塞。不能发送BPDU,但是会持续侦听BPDU。不能收发数据帧

    侦听(Listening)

    表明STP初步认定该接口为根接口或指定接口,但STP还在计算过程中,可以收发BPDU,但不能收发数据帧,也不能进行MAC地址学习

    学习(Learning)

    会侦听业务数据帧,但不能转发数据帧,并可以学习MAC

    转发(Forwarding)

    正常收发数据帧,也会进行BPDU处理,只有根端口或指定端口才能进行转发态

    当交换机的一个接口被激活后,该接口会从禁用状态自动进入阻塞状态。阻塞状态的接口如果被选举为根接口或者指定接口,那么它将从阻塞状态进入侦听状态,并在侦听状态停留15s(转发延迟时间),为了让STP完成整个网络的计算。15s后如果还是根接口或者是指定接口,就会进入学习状态,因为此时交换机没有学习到任何MAC地址,这个状态也要停留15秒,之后才会变成转发态。

    计算过程

        确定跟桥

    每一个交换机启动stp服务,都会认为自己是跟桥,并向外发送以自己为根桥的配置BPDU报文。

    交换机接收到BPDU报文,会和自己的桥ID对比,桥ID由优先级和mac地址组成,先比较优先级,优先级相同,再比较mac地址,值越小就会认为更优。比如接收到BPDU报文的root id为8192-0000.0000.0001,自己的桥id为32768-0000.0000.0002,因为先比较优先级,优先级8192优于32768,则认为自己不是根桥,就不发送认为自己是根桥的BPDU了,并通过接收到的BPDU报文更新自身的配置BPDU。直到网络中所有的交换机都达成一致,认为某一个交换机为根桥,根桥的选举结束,从而确认唯一根桥。

        确定端口角色

    当确认自己本身不是根桥的同时就开始确认端口角色了。

        确定根端口

    当一个交换机多个接口同时接收到了根桥发来的配置BPDU报文,会获取Root Path Cost,也就是根路径开销,与接收端口的链路开销相加,得到此端口到根桥的根路径开销,对比,根路径开销值最小的作为根端口。

    如果根路径开销相同,对比BPDU报文中的Bridge Identifier,也就是发送该BPDU报文指定桥的ID,ID小的作为根端口。

    如果指定桥ID也相同,则对比Port Identifier,发送口的端口ID,ID小的作为根端口

        确定指定端口和Alternate备份端口

    当确定根端口后,会将通过自己从根端口收到的BPDU报文计算生成的配置BPDU报文与非根端口接收到的配置BPDU进行比较,依次对比根路径开销、指定桥和端口id,自己计算产生的BPDU优于接收到的,则将此接收到的端口设置为指定端口,否则设置为Alternate端口(即阻塞起来)。

    拓扑结构发生改变时

    当有端口断开或新网桥加入时,拓扑发生了改变,就会使用到TCN BPDU报文,目的是让STP能快速的收敛。

    产生BPDU报文的条件:

    1. 网桥上有端口转变为Forwarding转发状态,且该网桥至少包含一个指定端口。
    2. 网桥上有端口从Forwarding状态或Learning状态转变为Blocking状态。

    拓扑改变时候STP处理步骤:

    1. 会从该发生变化的交换机的根端口发送TCN BPDU报文
    2. 上游交换机收到TCN BPDU报文,会将下一个配置BPDU报文中的TCA置为1,发送给下游交换机,来确保通往根桥的链路有效性
    3. 重复1,2步骤,直到根桥交换机收到TCN BPDU报文,并将下一个配置BPDU报文中的TC置为1,发送给下游所有的交换机,各网桥收到TC置为1的配置BPDU报文后,会将MAC地址老化时间缩短为15秒

    STP的不足

    为避免环路,每一个端口在确认为根端口或指定端口后仍需要等待30s才能进入转发状态。

    对于网络中有大量主机时候,频繁上下线会导致频繁发送TCN BPDU报文,导致网桥MAC地址老化时间长期为15s。

    RSTP(802.1W,Rapid Spanning Tree Protocol,快速生成树协议)

    STP与RSTP区别概要

    STP

    RSTP

    端口状态

    禁用、阻塞、侦听、学习、转发

    丢弃、学习、转发

    端口角色

    根端口、指定端口、备份端口(Alternate)

    根端口、指定端口、根备份端口(Alternate)、指定端口备份端口(Backup)

    BPDU

    协议版本号为0x00

    配置BPDU类型为0x00,TCN BPDU类型为0x80

    协议版本号为0x02

    类型为0x02

    使用Flags字段的全部8位

    最后增加了Versionl Length字段

    STP与RSTP的接口状态对应关系

    STP的接口状态

    RSTP的接口状态

    禁用(Disabled)

    丢弃(Discarding)

    阻塞(Blocking)

    侦听(Listening)

    学习(Learning)

    学习(Learning)

    转发(Forwarding)

    转发(Forwarding)

    RSTP端口会在Discarding状态完成角色的确定,当端口确定为根端口或指定端口后,经过Forward Delay时间会进入Learning状态,比STP就少一个Forward Delay时间,并且有P/A快速机制,可以直接从Discarding直接到Forwarding状态。不是根端口或指定端口就会维持Discarding状态。

    端口角色

    根端口和指定端口角色的定义和STP相同,就不说了。

    较STP新增了两个端口概念,替代接口和备份接口。但同样都是阻塞起来的,只是为了指定端口出故障时可以快速收敛。

        替代接口(Alternate)

    可以理解为根接口的备份接口,是由于收到了其他设备发送的BPDU且优于自身所要发送的BPDU从而被阻塞的接口。当根端口进入阻塞状态时,会选择优先级最高的替代接口作为新的根端口。当对端端口是Forwarding状态,则可以立即进入转发状态。

        备份接口(Backup)

    一台设备上收到了自己所发送的BPDU从而被阻塞的接口。

    如图,LSW2上的GE 0/0/3阻塞,因为是收到了LSW3的BPDU报文,形成了环路,且收到的BPDU报文比自己的优,从而阻塞,就变成了替代接口。而LSW2上的GE 0/0/5,因为收到的是自己发送过来的BPDU报文且端口id较大被阻塞,从而变成备份接口。

    BPDU报文

    与STP BPDU相比较

    1. Protocol Version Identifier为2
    2. BPDU Type为0x02,表示为RST BPDU
    3. BPDU flags使用全部的8位
    4. 在报文的最后增加了Versionl Length字段,值为0,表示本BPDU中不包含Versionl内容。

    最高位和最低位TCA和TC与STP相同。Agreement(同意)及Proposal(提议)用于RSTP的P/A机制,会大大提高RSTP的收敛速度。Port Role(接口角色)两个bit位,01表示根接口,10表示替代接口,11表示指定接口,00保留。Forwarding(转发)和Learning(学习)用于表示该RST BPDU发送接口的接口状态。

    RSTP与STP不同,在网络稳定后,STP的非根桥之会转发根桥发来的BPDU报文,而RSTP无论是非根桥还是根桥都会周期性的发送BPDU。

    在STP中只有在指定端口收到低优先级的配置BPDU时才会立即回应(发送自己计算的配置BPDU报文),阻塞状态端口不会对低优先级的配置BPDU做出回应。

    在RSTP中,指定端口或阻塞状态的端口收到低优先级的RST BPDU,也可以立即对其做出回应。

    P/A快速收敛机制

    当网络中增加新的链路或故障链路恢复时,链路两端必有一个端口的角色是指定端口,在STP中,该指定端口需要等待30s才能进入Forwarding状态。

    P/A机制是指定端口可以通过与对端网桥进行一次握手,即可快速进入转发状态,无需任何定时器。

    前提条件是必须是点到点的链路。

    当新链路连接时候,链路两端的端口初始都为指定端口并处于阻塞的状态。

    指定端口处于Discarding和Learning状态时,所发送的BPDU中的Proposal位将被置为1,端口的角色位11,是指定端口。(都是指定端口发的哟)

    收到Proposal置位的RST BPDU报文后,交换机会判断接收端口是否为根端口,如果是根端口,会进行同步过程,同步过程是阻塞除边缘端口(直接与用户终端相连,没有连接到其他交换机或者网桥,一般需要手动配置为边缘端口,可以忽略Forward Delay时间直接进入Forwarding状态,无时延)之外的所有端口,为了消除本交换机产生环路的可能。

    完成同步过程后,根端口进入转发状态并从根端口回发Agreement置为1的RST BPDU报文,内容复制收到的Proposal置为的RST BPDU报文,唯一不同的就是Flags字段的Agreement也置为1。

    收到Agreement置1的BPDU报文后,该接口会立即进入转发状态。

    同步过程阻塞的接口也会继续往下进行这个过程。

    如果指定端口发出Proposal置位的BPDU后没有收到Agreement BPDU报文,则该端口需要等待30s(两个延迟时间)才会进入转发状态。

    拓扑改变处理

    在STP中,端口变为Forwarding状态或从Forwarding变为Blocking状态均会触发拓扑改变处理过程,而RSTP只在非边缘端口转为Forwarding状态时才会触发处理过程。

    当交换机由非边缘端口转变为Forwarding状态时,网桥会在两倍的Hello Time时间内向根端口以及指定端口发送TC置位为1的RST BPDU,同时清除这些端口学习到的MAC地址。

    其他交换机收到TC置位的RST BPDU时候,会清除接收TC报文的端口以及边缘端口之外的其余端口MAC地址,并同样会在两倍的Hello Time时间内向根端口以及指定端口发送TC置位为1的RST BPDU报文。

    交换机收到TC置位的RST BPDU后不需要在Max Age+Forward Delay时间内将MAC地址老化时间设置为Forward Delay,而是直接清除端口MAC地址,重新进行学习,从而实现更快的收敛。

    注:本人使用华为模拟器,拓扑改变收到拓扑改变的报文,并没有立即清除端口mac,好像是一个Foreard Delay时间后才清除mac。

    RSTP和STP的兼容

    当运行RSTP的交换机连续3次接收到配置BPDU时候,认为改端口和STP相连,该端口将切换到STP协议运行。

    MSTP(802.1S,Multiple Spanning Tree Protocol,多生成树协议)

    基本思想

    基于实例(Instance)计算出多棵生成树,每个实例都会生成自己的生成树,并且每个实例可以包含一个或多个VLAN,每一个VLAN只能映射到一个实例。交换机可以通过配置多个实例,实现不同VLAN组之间的负载分担。

    基本概念解释

    MST域是一个具有相同域名、修订级别和摘要信息的网桥或交换机构成的集合,一个域可以包含多个实例。

    域名,本域的名称,MSTP中每一个域都有一个独一无二的名称,配置不同域名会被认为属于不同的域。

    修订级别,目前保留,默认为0。

    配置摘要,由网桥的vlan和实例映射关系生成的长度为16字节的HMAC-MD5签名。

    IST是MST域内的一颗生成树,每颗生成树对应一个实例。实例号为0,一定存在的

    MSTI是多生成树实例,实例号从1开始,为0的实例号是IST

    MSTI域根,是每一个MSTI实例上优先级最高的网桥

    CST(公共生成树)是网络内所有MST域通过计算得到的一棵树。

    CIST(公共和内部生成树)是整个网络所有设备经过生成树计算得到的一棵树。由IST和CST共同构成。

    CIST总根,是整个网络中优先级最高的桥,是CIST的根桥。

    CIST域根,IST的根桥即为CIST的域根,是MST域内距离总根最近的桥,也称为Master桥

    端口角色

    相较RSTP,桥的角色上,MSTP增加了Master桥。端口角色上,增加了域边界端口以及Master端口。根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口定义和RSTP一样。

    IST(实例号为0网络)中距离总根最近的桥为Master桥,该桥为IST的根,Master桥指向总根(整个网络中优先级最高的桥)的端口为Master端口。

    MST域内网桥和其他MST域或STP/RSTP网桥相连的端口称为域边界端口,Master端口也是域边界端口。

    如下图创建了三个区域,暂时都只有IST(实例0),优先级和MAC都是我编的,然后下图标注了MSTP所有的概念,更方便理解吧。

    BPDU报文

    BPDU Type:0x02

    BPDU flags:CIST标志字段

    Root Identifier:CIST总根交换机ID

    Root Path Cost:CIST外部路径开销,指从本交换机所属的MST到CIST根交换机的累计路径开销。

    Bridge Identifier:CIST的域根交换机ID(每个域距离根桥最近的交换机,域根并不是只有一个,每个域都有一个域根,很多资料上也称为CIST域根,我理解一半天),即IST Master的ID。如果总根在这个域内,那么域根交换机ID就是总根交换机ID。

    Port Identifier:CIST的指定端口ID(当前报文的上游交换机发送端口)

    Version 3 Length:表示MST专有字段的长度,用于接收到BPDU后进行校验。

    MST Config ID:格式选择字符固定为0x00。

    MST Config name:域名

    MST Config revision:修订级别,为0

    MST Config digest:配置摘要

    CIST Internal Root Path Cost:CIST内部路径开销,表示发送此BPDU的网桥到达CIST域根的路径开销。

    CIST Bridge Identifier:发送此BPDU的网桥ID

    CIST Remaining hops:CIST剩余跳数,限制MST域的规模,从域根开始,BPDU每经过一个网桥,跳数就减一,网桥会丢弃收到的跳数为0的BPDU,从而限制MST域的规模。默认为20

    MSTI配置信息中的内容只在各自实例中有效,且每个实例中这些字段值是独立的

    MSTI flag:一个字节,从第一位到第七位的定义和RSTP相同,第八位为Master标志位

    Region Root:表示该实例的域根ID

    Internal root path cost:表示发送此BPDU的网桥到达MSTI域根的路径开销

    Bridge Identifier priority:表示发送此BPDU的网桥,即指定桥的优先级,其中高4位为优先级位,第四位固定为0

    Port Identifier priority:表示发送此BPDU的端口的优先级,其中高4位为优先级位,第四位固定为0

    Remaining hops:表示BPDU在该MST实例中的剩余跳数。

    优先级向量

    MSTP计算可以分为CIST和MSTI计算两部分

    CIST优先级向量

    用于计算生成CIST生成树和CST生成树,总根,域根等

    {CIST总根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}

    再次注意(怕你已经被弄晕了),

    外部路径开销是当前域的Master桥到总根的路径开销

    内部路径开销是当前交换机到当前域根的路径开销

    指定交换设备ID就是发送这个报文的交换机的ID

    指定端口ID就是发送这个报文的交换机的端口ID

    对比是按照从左往右的顺序,值小者为优,给个报文的图直观一些

    MSTI优先级向量用于计算生成区域内的生成树和端口状态等,计算范围仅限区域内

    {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}

    MSTP计算方法

    每个BPDU既包含CIST计算所需的信息,也包含MSTI计算所需要的信息。

    计算生成树时候和RSTP类似,在进行CST计算时,会把MST域看做逻辑上的一个网桥,网桥ID为IST域根的ID也就是Master桥ID(距离总根最近的桥)。

    当网桥收到BPDU并判断不是同一个域后,不会解析MST专有字段的信息。

    初始时每个网桥都认为自己是总根,发送以自己为总根、域根和指定桥的BPDU。

    计算端口角色和交换机角色过程与RSTP相同。

    CST(公共生成树)的计算过程

    1. 需要对比的优先级向量为{总根、外部路径开销、域根、指定端口ID、接收端口ID},因为生成CST时候把相同的域当做一个网桥了,网桥ID为MST域的Master桥ID,所以自然无需对比内部路径开销和指定桥ID了。
    2. 初始时,每个域根向其他域根发送以自己为总根的BPDU。
    3. 确定“根网桥”(一个域看成一个网桥),也是CIST的总根。
    4. 确定端口角色“根端口”也就是一个域的Master端口,“根端口”的网桥也就是域根。
    5. 确定指定端口、Alternate端口或者Backup端口。
    6. 阻塞域之间的Alternate端口和Backup端口。

    IST(内部生成树)和MSTI(内部生成树实例)的计算过程

    经过CST的计算生成了域内的根桥(即Master桥)

    所需要比较的优先级向量为MSTI优先级向量,即{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}

    1. 域内网桥通过比较内部路径开销来确定根端口。
    2. 通过比较BPDU的优先级确定指定端口、Alternate端口或者Backup端口。
    3. 阻塞IST上的Alternate端口和Backup端口。

    MSTP与RSTP交互

    RSTP网桥收到MSTP的BPDU时,会将MSTP的BPDU报文里的CIST总根ID,外部路径开销,域根ID,指定端口ID分别与RSTP的BPDU报文里的根桥ID,根桥开销,指定桥ID,指定端口ID对应。

    MSTP网桥收到RSTP的BPDU时,会将RSTP的BPDU报文里的根桥ID,根桥开销,指定桥ID,指定端口ID分别与MSTP的BPDU报文里的CIST总根ID,外部路径开销,域根ID,指定端口ID对应。

    P/A快速收敛机制

    MSTP支持RSTP的快速收敛机制,但有不同点。详细的可以看上面的RSTP的P/A机制,这里只写区别。

    RSTP是上游交换机指定端口发送Proposal置位的BPDU,下游网桥执行同步操作之后回应Agreement置位的BPDU,上游网桥收到Agreement置位的BPDU后其指定端口可以立即进入转发状态。

    MSTP是上游交换机指定端口发送Proposal置位和Agreement置位的BPDU,下游网桥收到BPDU后执行同步操作然后回应Agreement置位的BPDU,上游网桥收到Agreement置位的BPDU后其指定端口可以立即进入转发状态。

    补充

    MSTP和实例相关的讲的较少,因为同一个MST域中可以有多个实例,每个实例可以运行通过一个或n个VLAN,但是一个VLAN只能存在一个实例中,然后每个实例都会各自生成生成树,除了IST(实例为0)的根节点是Master桥,其余实例都是按照RSTP类似方法计算出各自实例自己的根桥,指定桥,根端口和指定端口的。

    MSTP因为有多个实例,每个端口上对实例的状态可能不一样,比如在实例1端口为根端口,实例2上这个端口为指定端口,所以会出现端口既会发BPDU报文也会收BPDU报文。

    拓扑改变的处理和RSTP相同。

    MSTP比RSTP就是多了分区域多实例,细化看,每个实例运行的都是RSTP。

    RSTP和MSTP启动时简单介绍

    当一台交换设备启动RSTP和MSTP时候,会默认自己为根桥,且所有使能RSTP或者MSTP的端口都为指定端口Discarding状态,这样就会触发P/A快速机制,当一个指定端口发送P/A机制报文没收到对端发送过来的回复报文,则需要经过2倍的Forward delay时间才能到转发态。假如下游有一个交换设备同时开启了RSTP或者MSTP,则都会发送P/A机制报文,收到报文后两个指定端口会对比报文确定自己的角色从而继续P/A快速机制。P/A会阻塞除边缘端口和根端口外的其他所有端口,端口两两进行这种操作从而生成整个生成树。

    MSTP启动时,多个实例都会在互不干扰的生成对应的生成树,类似多线程一样。

    MSTP收到其他区域报文时候,只会对比CIST的信息,MIST内容会忽略。

    这是我通过看书和查找资料然后再凭借个人的理解整理出来的,本人学艺不精,如果本文对原理理解有偏差或者错误,可以评论指正或者讨论,如果再发现问题我再修改吧。

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  • MSTP详解- 原理

    万次阅读 多人点赞 2020-06-01 17:46:11
    MSTP详解一、MSTP基础1.1 MSTP产生背景1.2 MSTP基本概念1.3 MSTP端口角色1.4 MSTP的端口状态与收敛机制1.5 MSTP 拓扑计算原理1.6 MSTP BPDU 报文二、MSTP配置2.1 配置MSTP基本功能2.2 配置MSTP多进程基本功能2.3 ...

    相关文章推荐:
    STP和RSTP详解-原理篇
    STP和RSTP详解-配置篇
    MSTP详解-配置篇

    一、 MSTP产生背景

    IEEE 于2002年发布的802.1S标准定义了MSTP
    RSTP和STP 缺点:

    • 同一局域网内所有的vlan共享一个生成树,无法在vlan间实现数据流量的负载均衡;
    • 链路利用率低,被阻塞的冗余链路不承载任何流量,造成了带宽的浪费,还可能造成部分vlan报文无法转发。
      MSTP:MSTP兼容STP和RSTP,既可以快速收敛,又能使不同VLAN的流量沿各自的路径转发,从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。

    二、 MSTP基本概念

    1. MSTP网络层次结构
      MSTP不仅涉及多个MSTI(生成树实例),而且还可划分多个MST域(MST Region,也称为MST区域)。总的来说,一个MSTP网络可以包含一个或多个MST域,而每个MST域中又可包含一个或多个MSTI。组成每个MSTI的是其中运行STP/RSTP/MSTP的交换设备,是这些交换设备经MSTP协议计算后形成的树状网络。
      在这里插入图片描述
    2. MSTP域
    • 同一MSTP域设备的特点
      • 都启动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

    一个MSTP网络可以存在多个MST域,各MST域之间在物理上直接或间接相连。用户可以通过MSTP配置命令把多台交换设备划分在同一个MST域内。

    3. MSTI-多生成树实例
    MSTI是指MST域内的生成树。一个MST域内可以通过MSTP生成多棵生成树,各棵生成树之间彼此独立。一个MSTI可以与一个或者多个VLAN对应,但一个VLAN只能与-个MSTI对应。

    4. VLAN映射表
    VLAN映射表是MST域的属性,描述了VLAN和MST域中对应MSTI之间的映射关系。也就是把那些VLAN分别加入哪个MSTI中。

    5. IST -内部生成树
    IST是各个MST域内部的一棵生成树,是仅针对具体的MST域来计算的。但它是一个特殊的MSTI,其MSTIID为0,即IST通常称为MSTI0。每个MST域中只有一个IST,包括对应MST域中所有互联的交换机。
    6. CST - 公共生成树
    CST:是连接整个MSTP网络内所有MST域的一棵单生成树,是针对整个MSTP网络来计算的,每个网络中只有一个CST,每个MST域中的IST是整个MSTP网络CIST在对应MST与中的一个片段
    7. CIST - 公共和内部生成树
    CIST是通过STP或RSTP协议计算生成的,连接整个MSTP网络内所有交换机的单生成树,由IST和CST共同构成。这里要注意了,上面介绍的CST是连接交换网络中所有MST域的单生成树,而此处的CIST则是连接交换网络内的所有交换机的单生成树。即每个MSTP网络中也只有一个CIST。交换网络中的所有MST域的IST和CST一起构成一棵完整的生成树,也就是这里的CIST。
    在这里插入图片描述
    8. SST
    构成SST(生成树)有两种情况

    • 运行STP或RSTP生成树协议的交换机只属于一个生成树
    • MST与中只有一个交换机,这个交换机构成了生成树,如上图的B0区域

    9. 总根
    总根是CIST生成树的根桥,通常是交换网络中最上层的交换机,上图中的总根是A0域中的IST生成树的根,一个MSTP网络只有一个总根
    10. 根域
    在MSTP网络中,每MST域都有一个特殊的IST实例,以及许多MSTI实例,所以域根(Regional Root)又分为IST域根和MSTI域根。

    • 各个MST域中的IST生成树中举例CIST总根举例最近的交换机是IST域根,总根所在MST域的IST域根就是总根。
    • MSTI的域根是对应生成树实例的树根,域中不同的MSTI有各自的域根。而且,MST域内各棵生成树的拓扑不同,域根也可能不同。

    三、MSTP端口角色

    MSTP端口角色相比RSTP中多一个主端口(master port ),根端口、指定端口、Alternate 端口、Backup端口和边缘端口这五种主要端口角色的作用与RSTP协议中对应的端口角色定义完全相同。
    与RSTP相同,在MSTP中除了边缘端口外,其他端口都参与MSTP的计算过程,同一端口在不同生成树中担任不同角色
    在这里插入图片描述

    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,它是交换机上连接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CST/CIST上的角色是根端口,在其他各实例上的角色都是Master。在图中,交换设备S1、S2、S3、S4和它们之间的链路构成一个MST域,SI交换设备的端口AP1在域内的所有端口中到总根的路径开销最小,所以API为Master端口。
    域边缘端口
    域边缘端口是指位于MST域的边缘并连接其他MST域或SST的端口。进行MSTP计算时,域边缘端口在MSTI上的角色和CIST实例的角色保持一致。即如果边缘端口在CIST实例上的角色是Master端口(连接域到总根的端口),则它在域内所有MSTI上的角色也是Master端口。在图中,AP1是域边缘端口,它在CIST上的角色是Master端口,则API在MST域内所有生成树实例上的角色都是Master端口。

    四、MSTP的端口状态与收敛机制

    端口角色端口状态根端口/Master端口指定端口域边缘端口Aiternate端口Backup端口
    Forwarding--
    Leaning--
    Discarding

    MSTP的收敛机制与RSTP是完全一样的,具体点击这里查看

    五、 MSTP 拓扑计算原理

    MSTP将整个层网络划分为多个MST域,把每个域视为一个节点。各个MST域之间按照STP或者RSTP协议算法进行计算并生成CST(是单生成树);在一个MST域内则是通过MSTP协议算法计算生成若干个MSTI(是多生成树),其中实例0被称为IST。MSTP使用MST BPDU(Multiple Spanning Tree Bridge Protocol Data Unit,多生成树桥协议数据单元)作为生成树计算的依据。MSTBPDU报文用来计算生成树的拓扑、维护网络拓扑以及传达拓扑变化记录。

    5.1 MSTP 向量优先级

    优先级向量名说明
    根桥ID根桥ID用于选择CIST中的根桥。在BPDU中对应的网桥ID,计算公式为:Priority(l6bits)+MAC(48bits)
    外部路径开销(ERPC)从MST域根到达总根的路径开销。MST域内所有交换机上保存的外部路径开销相同。若CIST根桥在域中,则域内所有交换机上保存的外部路径开销为0
    域根ID也就是通常所说的MSTI树根,域根ID用于选择MSTI中的树根。它也是通过网桥ID来选举的,计算公式为:Priority(l6bits)+ MAC(48bits)
    内部路径开销(IRPC)本交换机到达域根桥的路径开销。域边缘端口保存的内部路径开销值大于(优先级越低)非域边缘端口保存的内部路径开销
    指定桥CIST或MSTI实例的指定桥是本交换机通往域根的最邻近的上游交换机。如果本交换机就是总根或域根,则指定桥为自己
    指定端口指定桥上与本交换机根端口相连的端口就是指定端口。其端口ID(Port ID)=Priority(8位)+端口号(8位)。
    接收端口端口优先级必须是16的整数倍接收到BPDU报文的端口。其端口ID(Port ID)= Priority(8位)+端口号(8位)。端口优先级必须是16的整数倍
    • 最小向量拥有最高优先级:比较规则如下
      • 首先,比较根桥ID。
      • 如果根桥ID相同,再比较外部路径开销。
      • 如果外部路径开销还相同,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,再比较指定桥ID。
      • 如果指定桥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。

    5.2 CIST 的计算

    经过配置消息交换比较后,首先在整个网络中选择一个优先级最高的交换机作为CIST的树根,然后在每个MST域内通过MSTP协议算法计算生成IST;同时MSTP将每个MST域作为单台交换机对待,通过STP或者RSTP协议算法在MST域间计算生成CST。
    CST和IST构成了整个交换机网络的CIST。

    5.3 MSTI计算

    在MST域内,MSTP根据VLAN和生成树实例的映射关系,针对不同的VLAN生成不同的生成树实例
    特点:

    (1)每个MSTI独立计算自己的生成树,互不干扰。
    (2)每个MSTI的生成树计算方法与RSTP基本相同。
    (3)每个MSTI的生成树可以有不同的根,不同的拓扑。
    (4)每个MSTI在自己的生成树内发送BPDU。
    (5)每个MSTI的拓扑通过命令配置决定(不是自动生成的)。
    (6)每个端口在不同MSTI上的生成树参数可以不同。
    (7)每个端口在不同MSTI上的角色、状态可以不同。

    5.4 MSTI 生成树算法实现

    在一开始时,每台交换机的各个端口会生成以自身交换机为根桥的配置消息,其中根路径开销为0,指定桥ID为自身交换机ID,指定端口为本端口。每台交换机都向外:发送自己的配置消息,并在接收到其他配置消息后进行如下处理。
    (1)当端口收到比自身的配置消息优先级低(优先级的比较就是根据前面介绍的向量优先级比较规则进行的)的配置消息时,交换机把接收到的配置消息丢弃,对该端口的配置消息不作任何处理。
    (2)当端口收到比本端口配置消息优先级高的配置消息时,交换机把接收到的配置消息中的内容替换该端口的配置消息中的内容:然后交换机将该端的配置消 息和交换机上的其他端口的配置消息进行比较,选出最优的配置消息。
    计算生成树的步骤如下。
    (1)选举根桥。此步是通过比较所有交换机发送的配置消息的树根ID,树根ID值最小的交换机为CIST根桥,或者MST域根桥。
    (2)选举非根桥上的根端口。每台非根桥把接收到最优配置消息的那个端口定为自身交换机的根端口。
    (3)选举指定端口。在这一步又分为以下两个子步骤:
    首先,交换机根据根端口的配置消息和根端口的路径开销,为每个端口计算一个标准的指定端口配置消息:用树根ID替换为根端口配置消息中的树根ID;用根路径开销替换为根端口配置消息中的根路径开销加上根端口的路径开销:用指定桥ID替换为自身交换机的ID:用指定端口ID替换为自身端口ID。
    然后,交换机对以上规则计算出来的配置消息和对应端口上原来的配置消息进行比较。如果端口上原来的配置消息更优,则交换机将此端口阻塞,端口的配置消息不变,并且此端口将不再转发数据,只接收配置消息(相当于根端口);如果通过以上替换计算出来的配置消息比端口上原来的配置消息更优,则交换机就将该端口设置为指定端口,端口上的配置消息替换成通过以上替换计算出来的配置消息,并周期性向外发送。
    (4)在MSTI生成树拓扑收敛后,无论非根桥是否接收到根桥传来的信息都按照Hello定时器周期性发送BPDU。如果一一个端口连续3个Hello时间(这个是缺省的设置)接收不到指定桥(也就是它所连接的上-级交换机)送来的BPDU,那么该交换机认为与此邻居之间的链路失败。

    5.5 MSTP 对拓扑变化的处理

    在MSTP中检测拓扑是否发生了变化的标准是根据–个非边缘端口的状态是否迁移到Forwarding状态,如果是迁移到了Forwarding状态,则会发生拓扑变化。
    交换机一旦检测到拓扑发生变化,进行如下处理。

    • 为本交换机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),并在这个时间内,清空这些端口上学来的MAC地址。如果是根端口上有状态变化,则启动根端口。
    • 发生状态变化的这些端口向外发送TC BPDU,其中的TC置位,直到TC While Timer超时。根端口总是要发送这种TC BPDU。

    其他交换机接收到TC BPDU,进行如F处理。

    • 清空所有端口学来的MAC地址,收到TC BPDU的端口除外。
    • 为所有自己的非边缘指定端口和自己的根端口启动TC While计时器,重复上述过程。

    六、 MSTP BPDU 报文

    4中BPDU 的比较
    名称版本类型
    配置BPDU00X00
    RST BPDU20X02
    MST BPDU30X02
    TCN BPDU00X80

    MST BPDU 报文结构如下图,无论是域内的MST BPDU 还是域间的 MST BPDU,前36字节和 RST bpdu是相同的,从第37 字节开始是 MSTP专有字段
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    MSTP BPDU 字段说明

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    2. MSTP BPDU报文格式可配置功能目前MSTP的BPDU报文存在两种格式。
    (1)dotls:IEEE802.1s规定的报文格式。
    (2)legacy:华为私有协议报文格式。

    华为交换机支持自动识别报文格式的功能,支持自动识别模式

    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp compliance ?
      auto    Protocol type is auto
      dot1s   Protocol type is 802.1s
      legacy  Protocol type is legacy
    
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  • 文章目录STP与RSTP的缺陷(单生成树的弊端)MSTP基本概念MSTP BPDU报文 STP与RSTP的缺陷(单生成树的弊端) ...MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol,多生成树协议)将环路网络修剪成为一个无环...

    STP与RSTP的缺陷(单生成树的弊端)

    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。

    MSTP基本概念

    MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol,多生成树协议)将环路网络修剪成为一个无环的树型网络,避免报文在环路网络中的增生和无限循环,同时还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。

    MSTP把一个交换网络划分成多个域,每个域内形成多棵生成树,生成树之间彼此独立。每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI(Multiple Spanning Tree Instance),每个域叫做一个MST域(MST Region:Multiple Spanning Tree Region)。

    • MST域
      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:

      1. 都启动了MSTP。
      2. 具有相同的域名。
      3. 具有相同的VLAN到生成树实例映射配置。
      4. 具有相同的MSTP修订级别配置。
    • MSTI
      一个MST域内可以生成多棵生成树每棵生成树都称为一个MSTI(生成树实例),每个MSTI都使用单独的RSTP算法,计算单独的生成树。

    • 标识域
      每个MSTI(MST Instance)都有一个标识(MSTID),MSTID是一个两字节的整数。VRP平台支持16个MST Instance,MSTID取值范围是0~15,默认所有VLAN映射到MST Instance 0。

    • VLAN映射表
      VLAN映射表是MST域的属性,它描述了VLAN和MSTI之间的映射关系,MSTI可以与一个或多个VLAN对应,但一个VLAN只能与一个MSTI对应。

    MSTP兼容STP和RSTP,既可以快速收敛,又提供了数据转发的各个冗余路径,在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

    MSTP应用场景

    MSTP BPDU报文

    MSTP BPDU报文
    MSTP BPDU报文与STP、RSTP报文非常相似只是多了以下一些字段:(STP、RSTP报文格式请查看本人以前的文章)

    Version 3 Length2字节Version3 BPDU的长度,只在MSTP的BPDU中出现
    MSTI Config ID Format Selector1字节固定为0
    MSTI Config Name32字节“域名”,字符串格式
    MSTI Config reversion2字节非负整数
    MSTI Config Digest16字节利用HMAC-MD5算法将域中VLAN和实例的映射关系加密成16字节的摘要
    CIST Internal Root Path Cost14字节CIST内部路径开销,指从本端口到IST Master交换机的累计路径开销,只在MSTP的BPDU中出现。CIST内部路径开销根据链路带宽计算
    CIST Bridge Identifier8字节CIST的指定交换机ID,只在MSTP的BPDU中出现
    CIST Remaining Hops1字节BPDU报文在CIST中的剩余跳数,只在MSTP的BPDU中出现
    MSTI Configuration Messages (may be absent)n×16字节MSTI配置信息,只在MSTP的BPDU中出现。每个MSTI的配置信息占16 bytes,如果有n个MSTI就占用n×16bytes
    FCS4字节帧校验序列FCS(Frame Check Sequence)是为接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法,如果发现错误,丢弃此帧。FCS只是通用叫法,具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中,FCS通常采用循环冗余码校验CRC(Cyclical Redundancy Check)

    单个MSTI Configuration Messages的字段说明如下:

    MSTI FlagsMSTI标志
    MSTI Regional Root IdentifierMSTI域根交换机ID
    MSTI Internal Root Path CostMSTI内部路径开销指从本端口到MSTI域根交换机的累计路径开销。MSTI内部路径开销根据链路带宽计算
    MSTI Bridge Priority本交换机在MSTI中的指定交换机的优先级
    MSTI Port Priority本交换机在MSTI中的指定端口的优先级
    MSTI Remaining HopsBPDU报文在MSTI中的剩余跳数
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mstp协议工作原理