网络学习笔记（11）- MSTP原理

RSTP/STP的不足

流量无法负载分担

背景：

• SW3为接入交换机连接终端网段，使用两条链路连接SW1和SW2，并且所有链路均允许VLAN2和VLAN3通过。
• 将SW1设为VLAN2内终端的网关，SW2设为VLAN3内终端的网关，并希望VLAN2和VLAN3内的终端分别使用不同的链路到相应的网关。

问题：

• 如果网络中只有一个生成树，假设SW3与SW2相连的端口为阻塞端口，则VLAN2和VLAN3的数据都只能通过一条链路到汇聚交换机，不能实现流量负载分担。

二层次优路径

背景：

• SW3为接入交换机连接终端网段，SW1和SW2为汇聚交换机。将SW1设为VLAN2内终端的网关，SW2设为VLAN3内终端的网关，并且所有链路均允许VLAN2和VLAN3通过。
• 运行单个生成树之后，环路被打破，VLAN2和VLAN3的数据都直接到SW1。
  问题：
• 由于SW3与SW2间的链路被阻塞，VLAN3的数据到达网关的路径是次优的，最优的路径应当是由SW3直达SW2。

多生成树协议概述

MSTP是IEEE 802.1S中定义的生成树协议，MSTP兼容STP和RSTP，既可以快速收敛，又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可以将一个或多个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。

MST Region

MSTP网络层次：

• 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。
• MST Region（Multiple Spanning Tree Region，多生成树域），也可简称MST域：

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。

• 一个局域网可以存在多个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。
• MSTP网络中包含1个或多个MST域，每个MST域中包含一个或多个多生成树实例。

MSTI

MSTI（Multiple Spanning Tree Instance，多生成树实例）：

• 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。
• MSTI使用Instance ID标识，华为设备取值为0~4094。

VLAN映射表

• MST域的属性，描述了VLAN和MSTI之间的映射关系。
• 如图所示的MST Region 4的VLAN映射有：
  • VLAN1映射到MSTI 1
  • VLAN2映射到MSTI 2
  • 其余VLAN映射到MSTI 3

CST

CST（Common Spanning Tree，公共生成树）

• 是连接交换网络内所有MST域的一棵生成树。
• 如果把每个MST域看作是一个节点，CST就是这些节点通过生成树协议计算生成的一棵生成树。
• 如图深蓝色粗线条连接各个域构成CST。

IST

IST（Internal Spanning Tree，内部生成树）

• 是各MST域内的一棵生成树。
• IST是一个特殊的MSTI，MSTI的Instance ID为0。
• 如图所示的MST Region 4，黑色细线条在域中连接该域的所有交换设备构成IST。

CIST

CIST（Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树）

• 通过生成树协议计算生成的，连接一个交换网络内所有交换设备的单生成树。
• 如图所示，所有MST域的IST加上CST就构成一棵完整的生成树，即CIST。

SST

SST（Single Spanning Tree，单生成树）

• 运行生成树协议的交换设备只能属于一个生成树。
• MST域中只有一个交换设备，这个交换设备构成单生成树。
• 如图所示的MST Region 3，该域中的唯一的交换设备构成SST。

总根，域根和主桥

总根（CIST Root）

• 是CIST的根桥，如图中SW1。

域根（Regional Root）

• 分为IST域根和MSTI域根。
• IST域根，在MST域中IST生成树中距离总根最近的交换设备是IST域根，如图中SW2、SW3、SW4。
• MSTI域根是每个多生成树实例的树根。

主桥（Master Bridge）

• 是IST Master，它是域内距离总根最近的交换设备，如图中SW1、SW2、SW3、SW4 。
• 如果总根在MST域中，则总根为该域的主桥。

小结

MSTP的端口角色

MSTP中定义的所有端口角色包括：

• 根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口、Master端口、域边缘端口和边缘端口。

MSTP的端口状态

MSTP定义的端口状态与RSTP协议中定义相同:

• Forwarding状态：端口既转发用户流量，学习MAC地址，又接收/发送BPDU报文。
• Learning状态：过渡状态，端口接收/发送BPDU报文，不转发用户流量但是学习MAC地址。
• Discarding状态：端口只接收BPDU报文，不转发用户流量也不学习MAC地址。

MSTP报文

• 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。
• MST BPDU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。

MSTP拓扑计算

MSTP拓扑计算：

• MSTP可以将整个二层网络划分为多个MST域，各个域之间通过计算生成CST，域内生成IST，CST和IST构成了整个交换设备网络的CIST。
• 域内还可以基于实例计算生成多棵生成树，每棵生成树都被称为是一个MSTI。

CIST和MSTI都是根据优先级向量来计算的，这些优先级向量信息都包含在MST BPDU中。各交换设备互相交换MST BPDU来生成CIST和MSTI 。

• 参与CIST计算的优先级向量为：
  • { 根交换设备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 }
• 参与MSTI计算的优先级向量为：
  • { 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 }
    注意：括号中的向量的优先级从左到右依次递减。

CIST计算

• 经过比较MST BPDU消息后，在整个网络中选择一个优先级最高的交换设备作为CIST的树根，即总根。
• 在每个MST域内，MSTP通过计算生成IST；同时MSTP将每个MST域作为单台交换设备对待，通过计算在MST域间生成CST。CST和IST构成了整个交换设备网络的CIST。

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。
• 每棵生成树独立进行计算，计算过程与STP计算生成树的过程类似。

MSTP网络数据转发

在运行MSTP协议的网络中，一个VLAN报文将沿着如下路径进行转发：

• 在MST域内，沿着其对应的MSTI转发。
• 在MST域间，沿着CST转发。

总结图