林火焰

摘 ? ?要： 本文介紹了生成樹協(xié)議、快速生成樹協(xié)議和多生成樹協(xié)議原理，分析了環(huán)路交換網絡生成樹算法的收斂過程，總結了生成樹協(xié)議和快速生成樹協(xié)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(qū)網絡上存在一定的冗余設計是有必要的。園區(qū)網的冗余部署包含三個環(huán)節(jié)，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(xié)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(xié)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(huán)路，如果交換網絡中存在環(huán)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(qū)網中，為了使網絡可靠和穩(wěn)定的運行，常常會把交換機連成環(huán)，以提供冗余路徑。這就跟網橋不能成環(huán)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(huán)路。但是由于生成樹協(xié)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(huán)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(xié)議（MSTP）的原理與配置

（一）生成樹協(xié)議原理

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

生成樹協(xié)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(huán)。②當前活動路徑發(fā)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(jiān)聽狀態(tài)（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(huán)路。

①從所有網橋中選舉一個根橋。

規(guī)則總結：對比網橋BID，BID小的優(yōu)先。BID由網橋優(yōu)先級和網橋MAC地址組成。如果網橋優(yōu)先級相同，就比對網橋MAC，MAC小的優(yōu)先。網橋優(yōu)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(guī)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(yōu)先級和端口標識組成），以上規(guī)則值越小越優(yōu)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(fā)。

規(guī)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(guī)則值越小越優(yōu)先。

④阻塞非根、非指定端口，形成邏輯上無環(huán)路的拓撲結構。

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

⑤網絡拓撲發(fā)生變化時。

發(fā)生變化的交換機會在根端口上每隔hello time時間就發(fā)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(tài)會發(fā)生改變，重新收斂。

2.生成樹協(xié)議不足

生成樹協(xié)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(xié)議

快速生成樹協(xié)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(fā)狀態(tài)的延時大大縮短，從而縮短了網絡最終達到拓撲穩(wěn)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(fā)狀態(tài) 。對于只連接終端的邊緣端口（edge port）可以直接進入轉發(fā)狀態(tài)，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(xié)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(yōu)點外，同時MSTP能夠使用instance（實例）關聯(lián)VLAN的方式為關各個實例提供獨立的發(fā)送路徑，實現多鏈路負載分擔。

1.多生成樹協(xié)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(chuàng)建2個實例。實例1關聯(lián)vlan10，20，以RSWA為根橋，RSWB為備份根橋;實例2關聯(lián)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(qū)域名稱（相同區(qū)域必須一致）。

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

⑤SWA（config-mst）#instance 1 VLAN 10;20 //創(chuàng)建實例1，關聯(lián)vlan10、vlan20， 每個實例都會生成一個獨立的生成樹（相同區(qū)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(yōu)先級為4096，比RSWB的優(yōu)先級8192、SWA的默認優(yōu)先級32768優(yōu)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(yōu)先級為8192，比RSWB的優(yōu)先級4096低，而比SWA的默認優(yōu)先級32768優(yōu)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(yōu)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(lián)VLAN 10、20，實例2關聯(lián)VLAN 30、40。

（2）看生成樹的全局配置及狀態(tài)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(qū)域號，區(qū)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(qū)域號、區(qū)域修正號，若不一致就會出錯。

（4）優(yōu)先級配置。

為了負載均衡，會配置優(yōu)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(yōu)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(guī)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(xié)議配置小結

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

①使指定為根橋的交換機優(yōu)先級最高（也就是優(yōu)先級值最小）;

②使指定為備用根橋的交換機優(yōu)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(xié)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(guī)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(yōu)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(yōu)化實驗指南.科學出版社，2009.