华为---MSTP（一）---MSTP生成树协议

1. MSTP技术产生背景

2. STP/RSTP的缺陷

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2.1 无法均衡流量负载

2.2 数据使用次优路径

3. MSTP生成树协议

3.1 MSTP相关概念

3.2 MSTP树生成的形成过程

4. MSTP报文

1. MSTP技术产生背景

RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。但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。为了弥补STP和RSTP的缺陷，IEEE于2002年发布的802.1s标准定义了MSTP。

2. STP/RSTP的缺陷

2.1 无法均衡流量负载

如上图所示，交换机都运行STP或RSTP，PC1、PC2访问服务器Server1，希望vlan 10的数据依次经过SW2和SW1到达Server1，vlan 20的数据依次经过SW3和SW1到达Server1。
SW2是根桥，根据生成树选举规则，连接SW1和SW3的链路上会有一个端口被阻塞，也就是说SW1和SW3之间的链路将不负责转发数据流量。那么vlan 20的数据流量就无法经过SW3和SW1，只能和vlan 10的数据流量一样，依次经过SW3、SW2、SW1到达Server1，SW1和SW3之间的链路没有数据流量，无法分担网络数据流量。

2.2 数据使用次优路径

如上图所示，因为SW1和SW3之间链路没有数据流量转发，vlan 20的数据流量只能依次经过SW3、SW2、SW1到达Server1，无法使用从SW3到SW1之间的更好链路，这就导致选用次优路径。

3. MSTP生成树协议

MSTP，即Multiple Spanning Tree Protocol，又称多生成树协议。

MSTP兼容STP和RSTP，在破除环路的基础上，可以快速收敛；
基于实例计算出多棵生成树，实例间实现负载分担；
设置VLAN映射表，将一个或多个VLAN映射到一个多生成树（MSTP）实例（instance）上。

如上图所示，VLAN 2对应一棵以交换机5700-A为根的生成树，交换机5700-B和交换机3700之间的链路就会被阻塞。VLAN3对应一棵以交换机5700-B为根的生成树，交换机5700-A和交换机3700之间的链路就会被阻塞。不同VLAN的数据流走不同的生成树，就实现了负载分担，同时也消除了次优路径问题。

3.1 MSTP相关概念

MSTP的网络层次：如下图所示，MSTP网络中包含1个或多个MST域（MST Region），每个MST Region中包含一个或多个MSTI（多生成树实例）。组成MSTI的是运行STP/RSTP/MSTP的交换设备，MSTI是所有运行STP/RSTP/MSTP的交换设备经MSTP协议计算后形成的树状网络。

MSTP网络层次示意图

MST Region（多生成树域，简称MST域）：MSTP可以把一个二层网络划分成多个区域，每个区域内都可以自主形成生成树，不同区域间的生成树互不干扰。同一个MST域的设备具有下列特点：

都启动了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。

MSTI（多生成树实例）：每一棵生成树都会有一个生成树实例，每个实例里面会有一个VLAN映射表，这张表记录了有哪些VLAN映射到了该实例中（该生成树上），不同的实例之间采用不同的Instance ID来标识，取值范围是0-4094，但默认情况下，所有VLAN都会映射到Instance 0中。一个或多个VLAN映射到一个Instance（实例），再基于Instance计算生成树，映射到同一个Instance的VLAN共享同一棵生成树。

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。

如下图所示，MST域D0的VLAN映射表是：

VLAN1映射到MSTI1
VLAN2和VLAN3映射到MSTI2
其余VLAN映射到MSTI0

CST（公共生成树）：如果把MST域看成一台交换机，那么域与域之间通过链路连接，存在冗余链路，那么域与域之间就也会存在二层的环路，所以也需要一棵生成树来消除环路，而公共生成树就是这棵用来消除域与域之间环路的生成树。

IST（内部生成树）：这是MST域内Instance ID为0的特殊生成树，是一个特殊的生成树实例，注意IST不是指MST域里面的所有生成树。

CIST（公共和内部生成树）：这是由所有MST域内的IST加上CST所构成一棵完整的生成树。

SST（单生成树）：指MST域内只有一台交换机并且只有一个实例的生成树。

总根：指CIST这棵生成树的根桥，整个MSTP网络中具有最高优先级的交换机就被选举为总根。

域根：又分为IST域根和MSTI域根，IST域根是距离总根最近的交换机；MSTI域根是指MSTI域的根桥：也就是实例中的最优交换机，但因为每一个MST域内都有多棵生成树，每棵生成树都有一个实例：所以每一个实例就都会有它自己的MSTI域根；

主桥：域内距离总根最近的交换机就是主桥，包括了总根它自己，也就是整一个MSTP网络最优的交换机既是总根，也是主桥。

MSTP还在STP/RSTP的基础上新增了两种端口角色：

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，是一个特殊的域边缘端口。本质就是就是某一个MST域距离总根最近的那一个端口，报文必须要经过该端口才可以到达总根。
域边缘端口：连接其他区域的交换机的端口就是域边缘端口。

3.2 MSTP树生成的形成过程

MSTP先将整个二层网络划分成多个MST域，之后域与域之间建立CST，MST域内部建立IST，CST和IST构成了连接整个网络的CIST生成树。
MSTP生成树形成，首先在二层网络中选举一个优先级最高的交换机成为总根；然后在每一个MST域内计算得到IST，在每一个MST域间计算得到CST；IST和CST结合就构成了整个交换网络的CIST。
在MST域内，MSTP是根据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。之后转发数据时，MST域之间，遵循着CST路径转发，而在MST域内，就根据不同的生成树实例来转发。

4. MSTP报文

字段内容	字节	说明
Protocol Identifier	2	协议标识符。
Protocol Version Identifier	1	协议版本标识符，STP为0，RSTP为2，MSTP为3。
BPDU Type	1	BPDU类型： 0x00：STP的Configuration BPDU 0x80：STP的TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU） 0x02：RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU）或者MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）
CIST Flags	1	CIST标志字段。
CIST Root Identifier	8	CIST的总根交换设备ID。
CIST External Path Cost	4	CIST外部路径开销指从本交换设备所属的MST域到CIST根交换设备所属的MST域的累计路径开销。CIST外部路径开销根据链路带宽计算。
CIST Regional Root Identifier	8	CIST的域根交换设备ID，即IST Master的ID。如果总根在这个域内，那么域根交换设备ID就是总根交换设备ID。
CIST Port Identifier	2	本端口在IST中的指定端口ID。
Message Age	2	BPDU报文的生存期。
Max Age	2	BPDU报文的最大生存期，超时则认为到根交换设备的链路故障。
Hello Time	2	Hello定时器，缺省为2秒。
Forward Delay	2	Forward Delay定时器，缺省为15秒。
Version 1 Length	1	Version1 BPDU的长度，值固定为0。
Version 3 Length	2	Version3 BPDU的长度。
MST Configuration Identifier	51	MST配置标识，表示MST域的标签信息，包含4个字段。
CIST Internal Root Path Cost	4	CIST内部路径开销指从本端口到IST Master交换设备的累计路径开销。CIST内部路径开销根据链路带宽计算。
CIST Bridge Identifier	8	CIST的指定交换设备ID。
CIST Remaining Hops	1	BPDU报文在CIST中的剩余跳数。
MSTI Configuration Messages(may be absent)	16	MSTI配置信息。每个MSTI的配置信息占16 bytes，如果有n个MSTI就占用n×16bytes。