爱情就像 RSTP 协议，哪怕有再多的干扰和潜在分歧，我们也能找到最优路径，让爱稳稳流动，不会陷入迷茫的循环——基于华为ENSP的RSTP、MSTP全面深入剖析

本篇技术博文摘要 🌟

• 本文介绍了生成树协议（STP）及其演进版本RSTP和MSTP的基本概念与配置。首先，阐述了STP的角色选举过程，包括根网桥、根端口、指定端口和非指定端口的选举。此外，解释了STP的接口工作状态（阻塞、侦听、学习、转发）及收敛时间。接着，提供了STP的基本配置实战，包括启动STP协议、修改桥优先级和开销值等。
• 文章还介绍了RSTP（802.1w）的改进，包括端口角色、状态、快速收敛机制、BPDU处理方式以及拓扑变更保护等，进一步提高了网络的收敛效率和稳定性。最后，讲解了MSTP（802.1s）的特点及配置，支持多个生成树实例的场景，适用于复杂的网络架构。

1.STP角色选举过程

STP交换机初始启动后

• 交换机都会认为自己是根网桥，并在发送给其他交换机的BPDU报文中宣告自己为根桥。
• 当交换机收到网络中其他设备发送的BPDU后，会比较BPDU重的根桥ID和自己的BID
• 交换机之间不断交互BPDU报文，同时对比BID信息，最终选举出一台BID最小的交换机作为根网桥，其他交换机为非根网桥。
• 根网桥的角色是可抢占的。当拥有更优BID的交换机加入网络时，网络会重新进行STP计算，选举出新的根网桥。

在选举出根网桥后

• 根网桥持续发送BPDU报文，而非根网桥持续接收BPDU报文，并计算自己的BPDU报文发送给其他设备。

根据收到的BPDU选择出根端口

• 每个交换机根据从自己不同接口收到的BPDU报文中选择出最优BPDU，从而选择出根端口
  • 选举规则---越小越优
    • 比较RPC
    • 比较对端的BID
    • 比较对端的PID
    • 比较本地的PID

每台交换机的每一条链路选举一个指定端口

• 交换机将本接口与本接口收到的BPDU进行对比，若本地BPDU更优，则本接口称为指定端口。
• 比较规则---越小越优
  • RPC
  • BID
  • PID

交换机身上剩余端口成为非指定端口

• 非指定端口被STP协议在逻辑上阻塞，从而构造出STP树。
• 阻塞端口不能转发由终端设备产生并发送的数据帧，也不能转发BPDU，但是可以接收和处理BPDU报文。

注意：

• 根网桥的选举，因为STP协议的一切工作都是基于根网桥的位置而定的，如果根网桥位置选举不恰当，那么流量走向异常。
• 流量走向异常：解决方案----三点合一（网关所在地、STP树根所在地、流量汇聚之地）

2.STP的接口工作状态

image-20230418022900048

阻塞

• 设备激活STP协议后进入的第一个状态
• 不能收发业务数据、不能学习MAC地址、不能发送BPDU，但是可以接收BPDU。
• 目的：将二层网络中的所有数据报文全部清空。
• 每个设备需要在阻塞状态停留20S时间。进入下一个状态

侦听

• 目的：完成STP的所有角色选举过程。
• 接口可以收发BPDU报文，但是不能收发业务数据，也不能学习MAC地址。
• 需要在侦听状态停留一个转发延迟时间（15S）。
• 当转发延迟时间超时后，跟端口和指定端口会进入下一个状态，而非指定端口会退回到阻塞状态。

学习

• 目的：学习MAC地址，从而填充MAC地址表项
• 可以收发BPDU报文，可以学习MAC地址，不能收发业务数据。
• 需要在学习状态停留一个转发延迟时间（15S）。

转发

• 可以正常收发业务数据和BPDU报文。
• 只有根端口和指定端口可以处于转发状态。

STP收敛时间[记住就好，根据具体业务快速而定]

• 首次收敛---50S
• 结构突变
  • 根网桥故障---50S
  • 直连链路故障---30S

  

  • 立即将端口状态切换到侦听

  • 非直连链路故障---50S

  

3.生成树STP基本配置实战

image-20240531185356129

启动STP协议，默认开启的协议

[sw1]stp enable 

修改STP工作模式，默认情况为MSTP

[sw1]stp mode ?
  mstp  Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) mode
  rstp  Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) mode
  stp   Spanning Tree Protocol (STP) mod

[sw1]stp mode stp

修改交换机的桥优先级

[sw1]stp priority 0 

干涉BID数值---一般不常在根网桥使用

修改主根/备份根网桥优先级

[sw1]stp root ?
  primary    Primary root switch   ---代表主根网桥，将优先级修改为0
  secondary  Secondary root switch  ---备份根网桥，将优先级修改为4096

修改开销值算法

[sw1]stp pathcost-standard ?   
  dot1d-1998  IEEE 802.1D-1998
  dot1t       IEEE 802.1T
  legacy      Legacy

只修改一个接口

[sw1-GigabitEthernet0/0/24]stp cost ?   
  INTEGER<1-200000000>  Port path cost

修改接口优先级

[sw1-GigabitEthernet0/0/24]stp port priority ?  
  INTEGER<0-240>  Port priority, in steps of 16

image-20240531190046922

4.RSTP---802.1W---快速生成树协议

1. 收敛速度慢----STP的算法是一种被动的算法，依赖于计时器来进行状态变化
2. 路利用率低
3. RSTP向下兼容STP协议

RSTP在园区网络中的应用位置

RSTP对STP的改进点讨论

改进点1---端口角色

• 802.1D协议---根端口、指定端口、非指定端口
• 802.1W协议---根端口、指定端口、（替代端口、备份端口）

• 替代端口----简单理解为根端口的备份。
  • 替代端口是收到其他交换机的BPDU报文从而被阻塞的端口。
  • 如果根端口发生故障，那么替代端口可以成为新的根端口，加快了网络的收敛速度。
  • 一台交换机，有且只有一个根端口；替代端口可以有0个或多个。如果存在多个，最优的替代接口将成为新的根端口。

• 备份端口----理解为指定端口的备份。
  • 备份端口是一台设备上由于收到了自己所发送的BPDU报文从而被阻塞的接口。

改进点2----端口状态

改进点3----RST BDPU报文

image-20221019213147640

bit 6----表示同意的含义，P/A机制
bit 5----表示转发状态
bit 4----表示学习状态
bit 3和bit 2----代表发送该报文的端口角色
bit 1----表示提议含义，P/A机制

• RSTP在网络稳定后，任何设备，都可以周期性发送RST BPDU报文。

改进点4---快速收敛机制

根端口和指定端口的快速切换。

P/A机制

边缘端口

如果交换机的某个端口处于网络的边缘，即不与其他交换设备相连，直接与终端设备直连，这种端口可以被设置为边缘端口----因为终端设备无法处理STP报文。

边缘端口不会参与到生成树的计算过程中，当某个接口被设置为边缘端口，则立即切换到转发状态。

1. 边缘端口的关闭或激活不会触发RSTP拓扑变更。

[sw3-GigabitEthernet0/0/22]stp edged-port enable 

---设置为边缘端口

边缘接口会持续性发送BPDU报文。---但是这种持续性发送是没有必要的。

[sw1-GigabitEthernet0/0/1]stp bpdu-filter enable 

----激活接口的BPDU过滤功能，激活后，该接口不会再发送BPDU报文。并且，该接口收到BPDU报文后，会直接忽略掉。

注意：一旦边缘端口收到BPDU报文，会立即丧失边缘端口属性，成为普通的STP端口，并重新进行生成树计算，引发网络震荡。----故，上述两条配置一般共同使用。

P/A机制----加快收敛

• 改变状态切换机制，将原本基于计时器的切换方式，修改为选择出端口角色，立即切换状态。

image-20240531194516302

1. SW11发送P标记位置为1的BPDU报文，请求将本接口的状态切换为转发状态。---能切换的前提是后续网络无环
2. SW12收到该报文后，将本地除了根端口以外的端口全部阻塞。来保证本地无环
3. 这个阻塞接口的过程被称为“同步过程”
4. 完成同步过程后，本地其他接口都处于丢弃状态，设备向上游发送A标记位置为1的BPDU报文，并将自己的根端口切换为转发状态。
5. SW11收到该报文后，将自己的接口转换为转发状态。
6. 向下游重复该过程，直到所有的根端口和指定端口状态切换为转发状态。

改进点5---对BPDU处理方式

• 所有设备在网络收敛完成后，都会周期性发送BPDU报文

• 缩短了BPDU的超时时间
• RSTP将最大老化时间修改为三个周期更新时间（6S）

1. 对次优BPDU报文的处理方式
   • 每一个交换机的每一个接口都会保存一份BPDU报文。---一定是最优的BPDU报文。
     • 对于根端口和非指定端口而言，交换机保存的是对端发送的BPDU报文。
     • 对于指定端口而言，交换机保存的是根据根节点发送的BPDU而计算出的本地的BPDU报文。
     • 次优BPDU===接收收到的不如接口保存的BPDU报文。
   • STP
     • 指定端口：收到一个次优BPDU报文，它将立即发送自己的BPDU报文。
     • 非指定端口：收到一个次优BPDU报文，需要等待接口所保存的BPDU报文老化后，重新计算自己的BPDU报文，并将新的BPDU报文发送出去。
   • RSTP
     • 无论任何接口角色，只要接口收到的次优BPDU报文，立即发送自己的BPDU报文

改进点6---保护功能

BPDU保护

 [Huawei]stp bpdu-protection 

 ---在全局激活BPDU保护功能，激活后，如果边缘端口收到的BPDU报文，则交换机直接关闭边缘端口。

受保护的边缘接口由于收到BPDU报文而被关闭，缺省时，不会自动恢复。需要网络管理员在接口下通过undo shutdown命令打开。

根保护

如果在一个稳定的二层网络环境中，新加入一台第三方设备，并且该设备的BID小于根网桥。那么会抢占原本的根网桥角色，从而引发网络的重新收敛。

部署根保护功能后，根网桥上的指定接口在收到更优的BPDU报文后，会忽略这些BPDU报文并将接口状态切换到丢弃状态。从而保证根网桥的地址。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]stp root-protection   

---开启根保护功能，只能在指定接口上激活。

当接口不再收到更优的BPDU报文后，经过两倍的转发延迟时间，接口状态从丢弃直接切换到转发状态。

环路保护

• 网络正常时，接口将持续收到BPDU报文，而当网络出现链路的单向故障或者网络拥塞等问题时，接口无法正常接收BPDU报文，导致交换机需要重新计算RSTP，此时接口角色和状态发生改变，可能引入环路。

image-20230419033305693

• 根端口
  • 如果常时间没有收到BPDU报文，那么交换机会重新选举根端口，并且该端口调整为指定端口。该接口状态切换为丢弃状态，避免环路产生。
• 替代端口
  • 如果常时间没有收到BPDU报文，该端口调整为指定端口。将其状态保持在丢弃状态。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/20]stp loop-protection ---开启接口的环路保护。

拓扑变更保护

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• 如果网络环境极度不稳定，导致TC报文频繁洪泛，又或者网络中存在攻击者发送大量的TC报文，那么交换机的性能将受到极大的损耗。
• 拓扑变更保护功能---在单位时间内只进行一定次数的TC报文处理，如果超出这个次数，则按照规定次数处理，对于超出的部分，等待一段时间后进行处理。

[Huawei]stp tc-protection ---开启TC保护

在单位时间2S周期内，只会处理一次TC报文。

改进点7---拓扑变更机制的改进

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1. 如果SW3收不到根桥发送的BPDU报文，设备所有的指定端口和根端口启动一个TC计时器（4S）。并且清空所有端口学习到的MAC地址。然后向外发送TC置位的BPDU报文。
2. 一旦计时器超时，则停止发送BPDU报文
3. SW2收到该报文后，清空所有端口的MAC地址信息，将自己的接口也启动TC计时器，并将TC置位报文向上游发送。
4. 重复上述过程。

5.MSTP---802.1S----多实例生成树

MSTP的特点

• PVST----一个VLAN为一个生成树
• MSTP---引入了“示例”----instance-----多个VLAN的集合
• instance ID-----示例标识----12bit-------instance 0--华为默认存在的
• MSTI---多生成树实例
• 一个实例能够包含多个VLAN，但是一个VLAN只能属于一个实例。

注意：

MSTP域----类似于OSPF中的区域的概念。可以将一个交换网络划分为多个MST域，在一个MST域中，会存在单个或多个实例。

• 相同的域名
• 相同的修订等级
• 相同的vlan和instance的映射关系

必须保证上述三点完全一致，交换机对MSTP的认知才相同。

MSTP：多实例生成树实战配置

image-20240601141826821

[sw1]stp mode mstp 
[sw1]stp enable 

MST域的配置
[sw1]stp region-configuration  ----进入MST域配置视图
[sw1-mst-region]region-name HCIP  ---修改域名
[sw1-mst-region]revision-level ?  ---修改修订等级，默认为0
  INTEGER<0-65535>  Revision level 
[sw1-mst-region]instance 1 vlan 2 to 10  ---创建一个instance 1，并加入vlan2到10
[sw1-mst-region]instance 2 vlan 11 to 20
[sw1-mst-region]active region-configuration   ---激活MSTP配置，如果未激活，则之前的配置不生效


[sw1]stp instance 0 root primary ---设定为实例0的主根
[sw1]stp instance 1 root primary 
[sw1]stp instance 2 root secondary 

image-20240601142611253

补充：

• 默认情况下，域名使用的是交换机的MAC地址。