STP 的弊端

上次有寫(xiě)過(guò)一篇《圖解 STP 》的文章，里面有提到STP的功能是消除環(huán)路和鏈路備份，同時(shí)也發(fā)現(xiàn) STP 的一些問(wèn)題：

網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢：BPDU 的 Max Age 值是 20 秒，接口從偵聽(tīng)到學(xué)習(xí)狀態(tài)和從學(xué)習(xí)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)分別有一個(gè) 15 秒的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間，因此一個(gè)接口從阻塞到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)需要 30 ~ 50 秒的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)接口無(wú)法正常使用。

接口狀態(tài)不合理：STP 接口的禁用、阻塞、偵聽(tīng)狀態(tài)類似，功能高度重合。

拓?fù)渥兓蕾囉?jì)時(shí)器：根交換機(jī)發(fā)送配置 BPDU 的 Hello Time 是 2 秒，非根交換機(jī)即使沒(méi)收到 BPDU ，也要在 Max Age 的 20 秒后，才會(huì)重新計(jì)算 STP 。

什么是收斂？

收斂是指網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。比如在 STP 中所有接口獲得接口角色，進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)或阻塞狀態(tài)。收斂時(shí)間是指網(wǎng)絡(luò)從發(fā)生變化到進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

RSTP

鑒于 STP 的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，棄之又覺(jué)得可惜，還是搶救一下吧。于是升級(jí)版的 RSTP 出現(xiàn)了，對(duì) STP 進(jìn)行了大量的改進(jìn)。

RSTP增加新的接口角色，其中的替代接口可在交換機(jī)的根接口失效時(shí)，立即成為新的根接口，獲取新的路徑到達(dá)根橋。RSTP 使用 P/A 機(jī)制，讓指定接口能夠快速進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，而不用像 STP 那樣經(jīng)過(guò) Forward Delay 時(shí)間。RSTP 還新增邊緣接口的概念，讓交換機(jī)接入終端設(shè)備的接口立即進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

RSTP 接口角色

RSTP 在 STP 的基礎(chǔ)上增加了接口角色，4 種接口角色分別是：根接口（ RP ）、指定接口（ DP ）、替代接口（ Alternate Port ，AP ）和備份接口（ Backup Port ，BP ）。根接口和指定接口與 STP 中定義相同，對(duì)于 STP 的非根非指定接口，RSTP 將其分為兩種，一種是替代接口，另一種是備份接口。

1、替代接口（ Alternate Port ，AP ）

替代接口就是根接口的備份，由于收到其它交換機(jī)發(fā)送的更優(yōu) BPDU 而被阻塞的接口。如果根接口發(fā)生故障，那么替代接口會(huì)成為新的根接口。接口切換過(guò)程中，無(wú)需延時(shí)，無(wú)需 BPDU 交互，立馬進(jìn)入到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

一臺(tái)交換機(jī)如果是非根橋，那么它有且只有一個(gè)根接口，但是這臺(tái)交換機(jī)可以沒(méi)有替代接口，也可以有，當(dāng)有替代接口時(shí)，可以有一個(gè)或多個(gè)。當(dāng)交換機(jī)的根接口發(fā)生故障時(shí)，最優(yōu)的替代接口將成為新的根接口。

如上圖所示，SW1 是網(wǎng)絡(luò)中的根橋，SW3 有兩個(gè)接口接入到網(wǎng)絡(luò)中，由于 G0/11 比 G0/12 到達(dá)根橋的 RPC 更小，G0/11 成為 SW3 的根接口。G0/12 收到 SW2 發(fā)送的 BPDU ，經(jīng)過(guò) SW3 計(jì)算后決定阻塞，成為 SW3 的替代接口。

2、備份接口（ Backup Port ，BP ）

備份接口也是指定接口的備份，備份接口是交換機(jī)收到了自己發(fā)送的 BPDU 而被阻塞的接口。如果一臺(tái)交換機(jī)的多個(gè)接口在同一個(gè)物理網(wǎng)段內(nèi)，其中一個(gè)選舉為指定接口，其它接口選舉為備份接口且處于丟棄狀態(tài)，備份接口作為這個(gè)網(wǎng)段到達(dá)根橋的冗余接口。如果交換機(jī)的指定接口發(fā)生故障，最優(yōu)的備份接口成為新的指定接口，為根交換機(jī)與這條鏈路提供另一條轉(zhuǎn)發(fā)通道，實(shí)現(xiàn)與這個(gè)網(wǎng)段的數(shù)據(jù)交互。

備份接口通常在這兩種情況下出現(xiàn)，一種是交換機(jī)的多個(gè)接口連接到一臺(tái)集線器（ Hub ）上，但是集線器和共享網(wǎng)絡(luò)幾乎絕跡。另一種情況是同一臺(tái)交換機(jī)的兩個(gè)接口通過(guò)一條網(wǎng)線連接起來(lái)，這種通常是人為的誤操作。因此備份接口比較少見(jiàn)。

如上圖所示，SW1 是網(wǎng)絡(luò)中的根橋，SW2 的 G0/11 和 G0/12 接口形成自環(huán)，RSTP 能夠檢測(cè)到這個(gè)環(huán)路，并在這兩個(gè)接口中選擇一個(gè)進(jìn)行阻塞。由于 G0/11 接口的接口 ID 更小，成為 SW2 的指定接口，而 G0/12 接口成為備份接口，備份接口被阻塞。

如上圖所示，SW2 的兩個(gè)接口連接在同一臺(tái)集線器（ Hub ）上，集線器收到數(shù)據(jù)后會(huì)拷貝到其它所有接口，而且集線器不支持 STP/RSTP ，因此 SW2 從 G0/11 接口發(fā)出的 BPDU 會(huì)被集線器發(fā)送到 SW2 的 G0/12 接口，反之亦然。當(dāng) SW2 的指定接口 G0/11 出現(xiàn)故障時(shí)，備份接口 G0/12 將接替它的工作，負(fù)責(zé)與相應(yīng)的網(wǎng)段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

RSTP 接口狀態(tài)

STP 有 5 種接口狀態(tài)，分別是禁用、阻塞、偵聽(tīng)、學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)，而 RSTP 對(duì)接口狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，把禁用、阻塞、偵聽(tīng)狀態(tài)合并為丟棄狀態(tài)（ Discarding ）。因?yàn)檫@三類狀態(tài)的功能區(qū)別不大，接口都不學(xué)習(xí) MAC 地址，也不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這也是丟棄狀態(tài)接口的處理方式。那么 RSTP 就是 3 種狀態(tài)，即丟棄狀態(tài)（ Discarding ）、學(xué)習(xí)狀態(tài)（ Learning ）和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)（ Forwarding ）。學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)保持不變，和 STP 中的定義相同。

邊緣接口

如果交換機(jī)的接口連接的是終端設(shè)備，比如 PC 、服務(wù)器、打印機(jī)等，而不是其它交換機(jī)的接口，那么這些接口不太可能造成環(huán)路。我們就可以將交換機(jī)的接口配置為邊緣接口（ Edge Port ），邊緣接口默認(rèn)不參加生成樹(shù)計(jì)算。當(dāng)邊緣接口被開(kāi)啟后，立即切換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)并開(kāi)始收發(fā)數(shù)據(jù)流量，而不用經(jīng)歷轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間，提升網(wǎng)絡(luò)效率。邊緣接口的開(kāi)啟和關(guān)閉都不會(huì)觸發(fā) RSTP 拓?fù)渥兏?/p>

P/A 機(jī)制

在 STP 中，交換機(jī)的一個(gè)接口成為指定接口后，還需要經(jīng)過(guò)偵聽(tīng)和學(xué)習(xí)狀態(tài)，即經(jīng)過(guò) 30 秒時(shí)間，才能進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。而 RSTP 引入P/A 機(jī)制（ Proposal/Agreement ，握手/贊同），讓指定接口與對(duì)端接口進(jìn)行握手，并逐級(jí)進(jìn)行傳遞避免環(huán)路，這個(gè)過(guò)程不使用計(jì)時(shí)器。也就是說(shuō)，完成握手的 RSTP 指定接口從丟棄狀態(tài)直接進(jìn)入到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，而不需要經(jīng)過(guò)其它狀態(tài)，加速生成樹(shù)的收斂。

Proposal 消息和 Agreement 消息都是 BPDU 。交換機(jī)通過(guò) BPDU 中的 Flag（標(biāo)記）字段來(lái)標(biāo)識(shí) BPDU 的不同類型，包括 Proposal BPDU 和 Agreement BPDU 。

如上圖所示，在 SW1 和 SW2 新增一條鏈路，由于 SW1 的橋優(yōu)先級(jí)最高，成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的根橋，SW1 的 G0/1 接口成為指定接口，SW2 的 G0/2 接口成為根接口。如果是運(yùn)行 STP ，那么指定接口和根接口必須經(jīng)歷偵聽(tīng)和學(xué)習(xí)狀態(tài)才能進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

如果網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的是 RSTP ，當(dāng) SW1 與 SW2 之間新增一條鏈路后。

SW1 和 SW2 馬上在各自的接口上發(fā)送 BPDU ，開(kāi)始的時(shí)候雙方都認(rèn)為自己是根橋。

經(jīng)過(guò) BPDU 交互后，SW2 認(rèn)為 SW1 才是根橋。這時(shí) SW1 的 G0/1 接口成為指定接口，SW2 的 G0/2 接口則成為根接口，并馬上停止發(fā)送 BPDU 。這兩個(gè)接口都處于丟棄狀態(tài)。

接下來(lái) P/A 過(guò)程會(huì)發(fā)生在 SW1 和 SW2 之間。SW1 從 G0/1 接口發(fā)送 Proposal 消息，希望自己能夠立刻進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

而 SW2 在收到 Proposal 消息后，首先會(huì)判斷接收 Proposal 消息的接口是不是根接口。在確認(rèn)自己收到 Proposal 的接口是根接口后，SW2 為了避免出現(xiàn)環(huán)路，阻塞自己所有非邊緣的指定接口，使這些接口都進(jìn)入到丟棄狀態(tài)，這個(gè)操作稱為 P/A 同步機(jī)制。邊緣接口不參與這個(gè)過(guò)程。

在 SW2 所有接口完成同步后，SW2 清楚的知道自己的接口不存在環(huán)路，馬上將根接口 G0/2 切換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，并從根接口向 SW1 發(fā)送 Agreement 消息。

SW1 在 G0/1 接口上收到 Agreement 消息后，立刻將 G0/1 接口切換成轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，這時(shí) PC1 和 PC2 就可以通信了。

整個(gè) P/A 過(guò)程很快就完成了，在新增鏈路后的極短時(shí)間內(nèi)，PC2 就可以和 PC1 通信。另外，由于 SW2 的指定接口 G0/4 還是處于丟棄狀態(tài)，那么這個(gè)接口也會(huì)向下游交換機(jī)發(fā)起一個(gè) P/A 過(guò)程。

保護(hù)功能

交換機(jī)有多種保護(hù)功能，用于提升生成樹(shù)協(xié)議的穩(wěn)定性。

1、BPDU 保護(hù)（ BPDU Protection ）

當(dāng)邊緣接口收到 BPDU 后，會(huì)馬上變成一個(gè)普通的 RSTP 接口，可能引發(fā)網(wǎng)絡(luò)中 RSTP 重新計(jì)算，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成影響。通常邊緣接口連接終端設(shè)備，應(yīng)該不會(huì)收到 BPDU ，但是如果誤接了交換機(jī)，那么這個(gè)邊緣接口就有可能收到 BPDU ，會(huì)引入環(huán)路隱患。還有一種情況是惡意用戶連接邊緣接口后，發(fā)起 BPDU 攻擊，也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成很大影響。

通過(guò)在交換機(jī)上開(kāi)啟BPDU 保護(hù)功能就可以解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)交換機(jī)開(kāi)啟這個(gè)功能后，如果邊緣接口收到 BPDU ，那么交換機(jī)馬上把接口關(guān)閉，置為 Error-Down ，同時(shí)觸發(fā)告警。

如果受到保護(hù)的邊緣接口因?yàn)槭盏?BPDU 而被關(guān)閉，默認(rèn)情況下是不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)的，需要在交換機(jī)上手動(dòng)執(zhí)行命令開(kāi)啟來(lái)恢復(fù)接口。除此之外，還可以手動(dòng)設(shè)置接口自動(dòng)恢復(fù)功能，在指定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)。

2、根保護(hù)（ Root Protection ）

RSTP 根據(jù)根橋計(jì)算出無(wú)環(huán)拓?fù)洌鶚蚴呛苤匾摹Ｔ谝呀?jīng)完成收斂的 RSTP 網(wǎng)絡(luò)中，如果根橋發(fā)生變化，那么 RSTP 就會(huì)重新計(jì)算，重新計(jì)算時(shí)網(wǎng)絡(luò)將不可用。通常我們會(huì)選擇網(wǎng)絡(luò)中性能最好和位置最重要的設(shè)備作為根橋，將其優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最小值 0 ，但是這個(gè)措施并不能保證這個(gè)設(shè)備永遠(yuǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的根橋，畢竟根橋的角色是可以搶占的。如果網(wǎng)絡(luò)中新接入的交換機(jī)優(yōu)先級(jí)被配置為 0 ，恰好 MAC 地址比根橋更小，那么新交換機(jī)將搶占成為新的根橋，還會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的 RSTP 重新計(jì)算，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成影響。

在交換機(jī)的相關(guān)接口部署根保護(hù)功能，就可以規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)根橋的指定接口開(kāi)啟根保護(hù)功能后，這個(gè)指定接口如果收到更優(yōu)的 BPDU ，就會(huì)過(guò)濾這個(gè) BPDU ，并將接口切換至丟棄狀態(tài)，這樣根橋的地位就可以保持。如果這個(gè)指定接口不再收到更優(yōu)的 BPDU，那么兩倍的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間后，接口自動(dòng)恢復(fù)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

3、環(huán)路保護(hù)（ Loop Protection ）

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)線路單向故障或者網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，交換機(jī)的根接口和丟棄狀態(tài)的替代接口將無(wú)法正常接收 BPDU ，就會(huì)導(dǎo)致交換機(jī)重新進(jìn)行 RSTP 重新計(jì)算，接口的角色和狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中引入環(huán)路。

如上圖所示，SW1 是根橋，SW3 的 G0/11 是根接口，G0/12 是替代接口處于丟棄狀態(tài)。SW3 的 G0/12 接口雖然處于丟棄狀態(tài)，但是會(huì)持續(xù)偵聽(tīng) BPDU 。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，SW3 會(huì)在 G0/12 接口上周期性的收到 BPDU 。如果 SW2 和 SW3 的鏈路出現(xiàn)單向故障，從 SW2 到 SW3 不通，從 SW3 到 SW2 正常。那么 SW3 的 G0/12 接口無(wú)法收到 SW2 發(fā)送的 BPDU ，導(dǎo)致 SW3 認(rèn)為 G0/12 接口的上游設(shè)備故障。過(guò)了 Max Age 時(shí)間后，SW3 的 G0/12 接口會(huì)成為指定接口，并切換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，然后開(kāi)始發(fā)送流量。但是 SW2 并未發(fā)生故障，因此一旦 SW3 的 G0/12 接口切換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中便出現(xiàn)了環(huán)路。

使用環(huán)路保護(hù)功能可以規(guī)避這個(gè)問(wèn)題：

在根接口上開(kāi)啟環(huán)路保護(hù)功能后，如果根接口長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到 BPDU ，交換機(jī)會(huì)重新選舉根接口，原來(lái)的根接口調(diào)整為指定接口，且接口狀態(tài)切換成丟棄狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)環(huán)路。

在替代接口上開(kāi)啟環(huán)路保護(hù)功能后，如果替代接口長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到 BPDU ，交換機(jī)會(huì)把替代接口調(diào)整為指定接口，且接口狀態(tài)保持在丟棄狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)環(huán)路。

4、拓?fù)渥兏Ｗo(hù)（ TC Protection ）

一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)是不會(huì)頻繁出現(xiàn)拓?fù)渥兏模坏┚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑霈F(xiàn)變更，TC BPDU（ TC 置位的 BPDU ）會(huì)泛洪到全網(wǎng)，而 TC BPDU 會(huì)讓交換機(jī)執(zhí)行 MAC 地址表刪除的操作。如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境很不穩(wěn)定，導(dǎo)致 TC BPDU 頻繁的泛洪，或者是網(wǎng)絡(luò)中存在惡意用戶，發(fā)送大量的 TC BPDU 對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，那么會(huì)極大消耗交換機(jī)的性能。

交換機(jī)開(kāi)啟拓?fù)渥兏Ｗo(hù)功能后，默認(rèn)將在 2 秒內(nèi)只進(jìn)行一次的 TC BPDU 處理，如果在 2 秒內(nèi)收到了 2 個(gè)及以上的 TC BPDU ，那么交換機(jī)只會(huì)處理一次，對(duì)于超出的部分，必須等待 2 秒后才進(jìn)行處理。

BPDU

RSTP 的配置 BPDU稱為 RST BPDU（ Rapid Spanning Tree BPDU ），它的格式和 STP 的配置 BPDU 差不多，只有個(gè)別字段做了修改。RST BPDU 的 “ 協(xié)議版本 ID ” 字段值是 0x02 ，“ BPDU 類型 ”字段值是 0x02 。主要變化是在 “ 標(biāo)志 ” 字段，這個(gè)字段一共 8 bit ，STP 只使用了最高比特位和最低比特位，而 RSTP 使用了剩余的 6 個(gè)比特位，并對(duì)這些比特位分別進(jìn)行了定義。

RST BPDU 的 Aggrement（同意）和 Proposal（提議）比特位用于 P/A（ Proposal/Aggrement ）機(jī)制。Port Role（接口角色）比特位是 2 bit ，用于標(biāo)識(shí) RST BPDU 發(fā)送接口的接口角色，01 表示根接口，10 表示替代接口，11 表示指定接口，而 00 保留使用。最后的 Forwarding（轉(zhuǎn)發(fā)）和 Learning（學(xué)習(xí)）比特位表示 RST BPDU 發(fā)送接口的接口狀態(tài)。

RSTP 與 STP 不同，在網(wǎng)絡(luò)收斂后，無(wú)論是根橋還是非根橋，都會(huì)周期性的發(fā)送配置 BPDU，對(duì)于非根橋，不需要在根接口收到 BPDU 之后而產(chǎn)生自己的配置 BPDU ，而是自發(fā)的、周期性發(fā)送 BPDU 。

MSTP

雖然 RSTP 對(duì) STP 進(jìn)行了改進(jìn)，但是還有一個(gè)缺陷，那就是所有 VLAN 共用一棵生成樹(shù)。這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，導(dǎo)致線路帶來(lái)利用率低、設(shè)備資源利用率低。

如果有一種生成樹(shù)協(xié)議，基于 VLAN 進(jìn)行生成樹(shù)的計(jì)算，那么這種技術(shù)有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？?jī)?yōu)點(diǎn)很明顯，交換機(jī)為每一個(gè) VLAN 單獨(dú)計(jì)算一棵生成樹(shù)，可以實(shí)現(xiàn)流量的負(fù)載分擔(dān)。但是也有一個(gè)缺陷，如果網(wǎng)絡(luò)中的 VLAN 數(shù)量很多，那么所有交換機(jī)都要為每一個(gè) VLAN 計(jì)算一棵生成樹(shù)，那么設(shè)備的資源消耗巨大，甚至?xí)绊懙秸Ａ髁康奶幚怼?/p>

為了解決這個(gè)問(wèn)題，MSTP（ Multiple Instances Spanning Tree Protocol ）出現(xiàn)了，兼容 STP 和 RSTP 。生成樹(shù)不是基于 VLAN 運(yùn)行的，而是基于 Instance（實(shí)例）運(yùn)行的。Instance 是一個(gè)或多個(gè) VLAN 的集合。

我們可以將一個(gè)或多個(gè) VLAN 映射到一個(gè) Instance ，然后 MSTP 基于 Instance 計(jì)算生成樹(shù)。基于 Instance 的生成樹(shù)稱為MSTI（ Multiple Spanning Tree Instance ，多生成樹(shù)實(shí)例），MSTP 為每一個(gè) Instance 維護(hù)獨(dú)立的 MSTI 。映射到同一個(gè) Instance 的 VLAN 共享一棵生成樹(shù)。可根據(jù)實(shí)際需求，在交換機(jī)上創(chuàng)建多個(gè) Instance ，然后將指定的 VLAN 映射到相應(yīng)的 Instance 。一個(gè) Instance 可以包含多個(gè) VLAN ，但是一個(gè) VLAN 只能被映射到一個(gè) Instance 。

在創(chuàng)建 Instance 后，我們可以對(duì) MSTI 進(jìn)行主根橋、次根橋、接口優(yōu)先級(jí)或 Cost 等配置。如果網(wǎng)絡(luò)中有大量 VLAN ，那么我們可以將 VLAN 按照一定規(guī)律分別映射到不同的 Instance 中，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，而交換機(jī)僅對(duì)這幾個(gè) Instance 進(jìn)行生成樹(shù)計(jì)算，設(shè)備資源消耗大大降低。

MSTP 引入了域（ Region ）的概念，我們可以將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)MST 域（ Multiple Spanning Tree Region ，多生成樹(shù)域），一個(gè) MST 域可以包含一臺(tái)或多臺(tái)交換機(jī)，同一個(gè) MST 域的交換機(jī)必須配置相同的域名（ Region Name ）、相同的修訂級(jí)別（ Revision Level ），以及相同的 VLAN 與 Instance 的映射關(guān)系。

替代方案

學(xué)完 STP/RSTP/MSTP 后，解決網(wǎng)絡(luò)中的二層環(huán)路問(wèn)題，想到的解決方案就是生成樹(shù)協(xié)議。但是生成樹(shù)協(xié)議有天生的缺陷，收斂速度慢，雖然 RSTP/MSTP 對(duì) STP 進(jìn)行了改進(jìn)，但是在毫秒級(jí)切換的要求下，生成樹(shù)就不適用了。而且生成樹(shù)的原理是將環(huán)路中的接口進(jìn)行阻塞，導(dǎo)致被阻塞的線路無(wú)法承載流量，造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。MSTP 在這方面進(jìn)行了優(yōu)化，讓不同 VLAN 的流量可以在不同線路進(jìn)行負(fù)載分擔(dān)，可是對(duì)于單個(gè) VLAN 來(lái)說(shuō)，始終會(huì)有一些線路無(wú)法承載流量。現(xiàn)在已經(jīng)有許多其它技術(shù)或解決方案用于替代生成樹(shù)協(xié)議。

1、Smart Link

Smart Link 是為雙上行組網(wǎng)定做的解決方案。

如上圖所示，交換機(jī) SW3 一條上行鏈路連接 SW1 ，另一條上行鏈路連接 SW2 。在 SW3 上創(chuàng)建 Smart Link 組，將 SW3 的兩個(gè)上行接口添加到這個(gè)組里，G0/1 口指定為 Master 接口、G0/2 口指定為 Slave 接口。默認(rèn)只有 Master 接口是活躍的（ Active ），這個(gè)接口可以正常收發(fā)流量，而 G0/2 接口會(huì)被阻塞（ Inactive ）。這樣網(wǎng)絡(luò)中的二層環(huán)路將被打破。

如上圖所示，當(dāng) SW3 的 G0/1 接口發(fā)生故障，或者線路發(fā)生故障，Smart Link 會(huì)馬上感知到，并且實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的快速切換，G0/2 接口將立即切換到 Active 狀態(tài)，并開(kāi)始收發(fā)流量。在 Smart Link 切換過(guò)程中，SW3 還可以使用 Flush 報(bào)文去刷新上聯(lián)設(shè)備，即 SW1 和 SW2 的 MAC 地址表等數(shù)據(jù)，加快網(wǎng)絡(luò)收斂。

Smart Link 配置簡(jiǎn)單，切換時(shí)間快。由于工作機(jī)制的限制，只能適用于特定的雙上行組網(wǎng)場(chǎng)景。SW1 、SW2 和 SW3 使用 Smart Link 防環(huán)后，也就不需要使用生成樹(shù)協(xié)議了。

2、iStack/CSS

iStack 是華為盒式交換機(jī)的堆疊技術(shù)。而 CSS（ Cluster Switch System ，集群交換系統(tǒng)）是華為框式交換機(jī)的集群技術(shù)。

什么是堆疊？

所謂堆疊，是指多臺(tái)物理交換機(jī)通過(guò)特定的線纜連接，并通過(guò)相應(yīng)的配置，組成邏輯上的一臺(tái)設(shè)備的技術(shù)。

STP/RSTP/MSTP 或 Smart Link 都是采用阻塞特定接口的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)環(huán)化，使得網(wǎng)絡(luò)資源得不到充分利用。一旦使用堆疊/集群技術(shù)，情況就不一樣了。如上圖所示，假設(shè) SW1 和 SW2 都是盒式交換機(jī)，且都支持 iStack ，那么可以使用堆疊線纜把 SW1 和 SW2 連接起來(lái)，然后組建堆疊系統(tǒng)，建立完成后，SW1 和 SW2 不再是兩臺(tái)單獨(dú)的交換機(jī)，而是一個(gè)有兩個(gè)槽位的框式交換機(jī)。那么網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將大大簡(jiǎn)化，由于 SW1 和 SW2 在邏輯上是一臺(tái)設(shè)備，設(shè)備的管理和配置將變得簡(jiǎn)單。SW3 分別與 SW1 、SW2 互聯(lián)的線路，現(xiàn)在可以看做是兩臺(tái)交換機(jī)之間的兩條鏈路，我們可以將這兩條鏈路進(jìn)行聚合，這樣網(wǎng)絡(luò)中將不存在二層環(huán)路，也無(wú)需部署防環(huán)技術(shù)。而且所有的鏈路都處于工作狀態(tài)，沒(méi)有接口被阻塞，設(shè)備資源和鏈路資源的利用率將最大化。

3、無(wú)二層環(huán)路場(chǎng)景

在一些網(wǎng)絡(luò)中，我們會(huì)人為的將網(wǎng)絡(luò)中的二層環(huán)路打破，從而規(guī)避防環(huán)技術(shù)的應(yīng)用。如上圖所示，匯聚層交換機(jī) DSW1 、DSW2 與接入層交換機(jī) ASW1 、ASW2 構(gòu)成一個(gè)倒 U 型組網(wǎng)，ASW1 和 ASW2 之間未連線，因此這四臺(tái)交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)中，并不存在二層環(huán)路，也就無(wú)需使用生成樹(shù)技術(shù)或其它防環(huán)技術(shù)了。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器使用了雙上行鏈路，服務(wù)器的兩張網(wǎng)卡以主備的方式運(yùn)行，假設(shè)連接 ASW1 的網(wǎng)卡為主網(wǎng)卡。如果 ASW1 和 DSW1 的鏈路發(fā)生故障，服務(wù)器是無(wú)法感知到的，依然會(huì)從主網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)到達(dá) ASW1 后被丟棄。一種解決方案就是在服務(wù)器上部署相應(yīng)的應(yīng)用程序，周期性的從主網(wǎng)卡發(fā)出探測(cè)報(bào)文，來(lái)探測(cè)到默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的可達(dá)性，DSW1 和 DSW2 上配置服務(wù)器的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，如果發(fā)現(xiàn)主網(wǎng)卡到默認(rèn)網(wǎng)關(guān)不可達(dá)，則自動(dòng)將流量切換到備網(wǎng)卡。

另一種解決方案就是使用華為的Monitor Link技術(shù)。Monitor Link 是一種接口聯(lián)動(dòng)技術(shù)，交換機(jī)部署后會(huì)持續(xù)監(jiān)控 Monitor Link 的上行接口（可指定接口），當(dāng)上行接口發(fā)生故障時(shí)，交換機(jī)馬上將下行接口（可指定接口）關(guān)閉。ASW1 可部署 Monitor Link 技術(shù)，將 DSW1 的接口配置為上行接口，將連接服務(wù)器網(wǎng)卡的接口配置為下行接口。這樣的話，當(dāng) ASW1 的上行接口發(fā)生故障，交換機(jī)立馬將連接服務(wù)器的下行接口關(guān)閉，從而使得服務(wù)器立即感知到故障的發(fā)生，然后將連接 ASW2 的網(wǎng)卡切換成主網(wǎng)卡，并在新的主網(wǎng)卡上發(fā)送數(shù)據(jù)。

結(jié)尾

STP可以在網(wǎng)絡(luò)中形成一棵無(wú)環(huán)路的樹(shù)，解決環(huán)路故障并實(shí)現(xiàn)冗余備份。

RSTP在 STP 功能基礎(chǔ)上，通過(guò)替代接口讓根接口快速進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)、采用 P/A 機(jī)制和設(shè)置邊緣接口等方法，實(shí)現(xiàn)了更快的收斂速度。

MSTP則在大規(guī)模、多 VLAN 環(huán)境下形成多個(gè)生成樹(shù)實(shí)例，從而提供多 VLAN 負(fù)載均衡。

MSTP 同時(shí)兼容STP 、RSTP ，運(yùn)行 MSTP 的設(shè)備可以識(shí)別 STP 、RSTP 兩種協(xié)議報(bào)，并應(yīng)用于生成樹(shù)計(jì)算。

另外 RSTP/MSTP 與 STP 的接口狀態(tài)不同，從 STP 的 5 種變成 3 種。

RSTP/MSTP 中，把禁用、阻塞、偵聽(tīng)三種狀態(tài)合并為丟棄狀態(tài)，減少狀態(tài)數(shù)量，簡(jiǎn)化生成樹(shù)計(jì)算，加快收斂速度。

RSTP/MSTP 有更快的收斂速度，簡(jiǎn)化的端口狀態(tài)；MSTP 能夠?qū)崿F(xiàn)不同 VLAN 的負(fù)載分擔(dān)。因此盡量使用 MSTP 來(lái)避免環(huán)路。

審核編輯：湯梓紅