华三STP-RSTP-MSTP

STP-RSTP-MSTP技术提要

一、STP

1. STP的用途

① STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）是根据IEEE 协会制定的802.1D 标准

建立的，用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。 ② 运行该协议的设备通过彼此交互信息发现网络中的环路，并有选择的对某些端口进

行阻塞，最终将环路网络结构修剪成无环路的树型网络结构，从而防止报文在环路 网络中不断增生和无限循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成的报文处理能 力下降的问题发生。 ③ STP包含了两个含义，狭义的STP 是指IEEE 802.1D 中定义的STP 协议，广义的

STP是指包括IEEE 802.1D 定义的STP 协议以及各种在它的基础上经过改进的生 成树协议

2. STP的协议报文

① STP 采用的协议报文是BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），也

称为配置消息。

② STP通过在设备之间传递BPDU 来确定网络的拓扑结构。BPDU 中包含了足够的

信息来保证设备完成生成树的计算过程。 ③ BPDU在STP 协议中分为两类：

1> 配置BPDU（Configuration BPDU）：用来进行生成树计算和维护生成树拓扑的 报文。

2> TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）：当拓扑结构发生变化时，用 来通知相关设备网络拓扑结构发生变化的报文。

3. STP的基本概念

① 根桥：

1> 树形的网络结构，必须要有树根，于是STP 引入了根桥（Root Bridge）的概念 2> 根桥在全网中只有一个，而且根桥会根据网络拓扑的变化而改变，因此根桥并

不是固定的

3> 网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他的 设备对该配置BPDU进行转发，从而保证拓扑的稳定。 ② 根端口：

1> 所谓根端口，是指一个非根桥的设备上离根桥最近的端口。根端口负责与根桥 进行通信。

2> 非根桥设备上有且只有一个根端口。根桥上没有根端口。 ③ 指定桥与指定端口

④ 路径开销

1> 路径开销是STP协议用于选择链路的参考值。

2> STP协议通过计算路径开销，选择较为“强壮”的链路，阻塞多余的链路，将 网络修剪成无环路的树型网络结构。

4. STP的基本原理

① 概述：STP 通过在设备之间传递BPDU来确定网络的拓扑结构。配置消息中包含 了足够的信息来保证设备完成生成树的计算过程，其中包含的几个重要信息 如下：

1> 根桥ID：由根桥的优先级和MAC 地址组成 2> 根路径开销：到根桥的路径开销

3> 指定桥ID：由指定桥的优先级和MAC 地址组成 4> 指定端口ID：由指定端口的优先级和端口名称组成 5> 配置消息在网络中传播的生存期：Message Age

6> 配置消息在设备中能够保存的最大生存期：Max Age 7> 配置消息发送的周期：Hello Time 8> 端口状态迁移的延时：Forward Delay

② STP算法的具体实现过程

1> 初始状态

每台设备的各个端口在初始时会生成以自己为根桥的配置消息，根路径开销为 0，指定桥ID 为自身设备ID，指定端口为本端口。 2> 最优配置消息的选择

各台设备都向外发送自己的配置消息，同时也会收到其他设备发送的配置消息

3> 根桥的选择

网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”，根桥ID 为自身 的设备ID。通过交换配置消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID最小的 设备被选为根桥。

4> 根端口、指定端口的选择

③ 上述任务完成之后，整个的树形拓扑就建立完成

5. STP的消息传递机制

① 当网络初始化时，所有的设备都将自己作为根桥，生成以自己为根的配置消息，并 以Hello Time为周期定时向外发送【Hello周期=2秒】

② 接收到配置消息的端口如果是根端口，且接收的配置消息比该端口的配置消息优， 则设备将配置消息中携带的Message Age 按照一定的原则递增，并启动定时器为 这条配置消息计时，同时将此配置消息从设备的指定端口转发出去。 ③ 如果指定端口收到的配置消息比本端口的配置消息优先级低时，会立刻发出自己的 更好的配置消息进行回应 ④ 如果某条路径发生故障，则这条路径上的根端口不会再收到新的配置消息，旧的配

置消息将会因为超时而被丢弃，设备重新生成以自己为根的配置消息并向外发送， 从而引发生成树的重新计算，得到一条新的通路替代发生故障的链路，恢复网络连 通性。

6. 注意事项

① 重新计算得到的新配置消息不会立刻就传遍整个网络，因此旧的根端口和指定端口

由于没有发现网络拓扑变化，将仍按原来的路径继续转发数据。

② 如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发，可能会造成暂时性的环路 7. STP定时器（Forward Delay、Hello Time 和Max Age）

① Forward Delay 为设备状态迁移的延迟时间。链路故障会引发网络重新进行生成树

的计算，生成树的结构将发生相应的变化。不过重新计算得到的新配置消息无法立 刻传遍整个网络，如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话，可能 会造成暂时性的环路。为此，STP 采用了一种状态迁移的机制，新选出的根端口 和指定端口要经过2 倍的Forward Delay延时后才能进入转发状态，这个延时保证 了新的配置消息已经传遍整个网络。

② Hello Time 用于设备检测链路是否存在故障。设备每隔Hello Time 时间会向周围 的设备发送hello 报文，以确认链路是否存在故障。

③ Max Age 是用来判断配置消息在设备内保存时间是否“过时”的参数，设备会将 过时的配置消息丢弃

二、RSTP【分段收敛】

1. 概述：

① 快速生成树协议（rapid spaning tree protocol）：802.1w由802.1d发展而成

② 这种协议在网络结构发生变化时，能更快的收敛网络。它比802.1d多了两种端口

类型：预备端口类型（alternate port）和备份端口类型。

2. 技术原理

① stp规定在某些情况下，处于Blocking状态的端口不必经历2倍的Forward Delay

时延而可以直接进入转发状态。如网络边缘端口（即直接与终端相连的端口），可

以直接进入转发状态，不需要任何时延。或者是网桥旧的根端口已经进入Blocking 状态，并且新的根端口所连接的对端网桥的指定端口仍处于Forwarding状态，那 么新的根端口可以立即进入Forwarding状态。

② 即使是非边缘的指定端口，也可以通过与相连的网桥进行一次握手，等待对端网桥

的赞同报文而快速进入Forwarding状态。【握手次数会受到网络直径的限制】

3. 端口状态

在RSTP中只有三种端口状态，Discarding、Leaning和Forwarding。802.1D中的禁止端 口，阻塞端口，监听端口在802.1W中统一合并为禁止端口。

4. RSTP的P/A机制【适用于P2P】

P/A机制即Proposal/Agreement机制。其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状 态。其过程的完成根据以下几个端口变量：

① Proposing：当一个指定端口处于Discarding或Learning状态的时候，该变量置位。 并向下游交换传递Proposal位被置位的BPDU

② Proposed：当端口收到对端的指定端口发来的携带Proposal的BPDU的时候。该变 量置位。该指示本网段上的指定端口希望忙进入Forwarding状态。 ③ Sync：当Proposed被设置以后，收到Proposal置位信息的根端口会依次为自己的 其他端口置位sync变量。如果端口是非边缘的指定端口是则会进入 Discarding状态

④ Synced：当端口完成转到Discarding后，，会设置自己的synced变量。Alternate、 Backup和边缘端口会马上设置该变量。根端口监视其他端口的synced， 当所有其他端口的synced全被设置，，根端口会设置自己的synced，然后 传回BPDU，其中Agreement位被置位。

⑤ Agreed：当指定端口接收到一个BPDU时，如果该BPDU中的Agreement位被置 位且端口角色定段是“根端口”，该变量被设置。Agreed变量一旦被置位， 指定端口马上转入Forwarding状态。 注：RSTP的连接类型

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