STP/RSTP/MSTP经典分析与对比

 当前和STP相关的协议有：IEEE 802.1D（STP），802.1W（RSTP），802.1（MSTP）。其中802.1D是最早关于STP的标准。RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）是STP的扩展，其主要特点是增加了端口状态快速切换的机制，能够实现网络拓扑的快速转换。MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）提出了多生成树的概念，可以把不同的vlan映射到不同的生成树，从而达到网络负载均衡的目的。
　
 

可见，RSTP协议相对于STP协议的确改进了很多。为了支持这些改进，BPDU的格式做了一些修改，但RSTP协议仍然向下兼容STP协议，可以混合组网。 虽然如此，RSTP和STP一样同属于单生成树SST（Single Spanning Tree），有它自身的诸多缺陷，主要表现在三个方面。

　
 

第一点缺陷：由于整个交换网络只有一棵生成树，在网络规模比较大的时候会导致较长的收敛时间，拓扑改变的影响面也较大。　

 

第二点缺陷：近些年IEEE 802.1Q大行其道，逐渐成为交换机的标准协议。在网络结构对称的情况下，单生成树也没什么大碍。但是，在网络结构不对称的时候，单生成树就会影响网络的连通性。　

 

　

 

图3 非对称网络示意图

 

图3中假设SW1是根桥，实线链路是VLAN 10，虚线链路是802.1Q的Trunk链路，Trunk了VLAN 10和VLAN 20。当SW2的Trunk端口被阻塞的时候，显然SW1和SW2之间VLAN 20的通路就被切断了。

 

 

 

第三点缺陷：当链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了带宽的极大浪费，这在环行城域网的情况下比较明显。

　
 

图4 SST带宽利用率低下示意图
 图4中假设SW1是根桥，SW4的一个端口被阻塞。在这种情况下，SW2和SW4之间铺设的光纤将不承载任何流量，所有SW2和SW4之间的业务流量都将经过SW1和SW3转发，增加了其他几条链路的负担。

 

这些缺陷都是单生成树SST无法克服的，于是支持VLAN的多生成树协议出现了。

　　
 

聪明伶俐的第二代生成树协议：

 

 

 

每个VLAN都生成一棵树是一种比较直接，而且最简单的解决方法。它能够保证每一个VLAN都不存在环路。但是由于种种原因，以这种方式工作的生成树协议并没有形成标准，而是各个厂商各有一套，尤其是 以 Cisco 的 VLAN 生成树 PVST （ Per VLAN Spanning Tree ）为代表。

 

 

 

为了携带更多的信息，PVST BPDU的格式和STP/RSTP BPDU格式已经不一样，发送的目的地址也改成了Cisco保留地址01-00-0C-CC-CC-CD，而且在VLAN Trunk的情况下PVST BPDU被打上了802.1Q VLAN标签。所以，PVST协议并不兼容STP/RSTP协议。

很快又推出了经过改进的PVST＋协议，并成为了交换机产品的默认生成树协议。经过改进的PVST＋协议在VLAN 1上运行的是普通STP协议，在其他VLAN上运行PVST协议。PVST＋协议可以与STP/RSTP互通，在VLAN 1上生成树状态按照STP协议计算。在其他VLAN上，普通交换机只会把PVST BPDU当作多播报文按照VLAN号进行转发。但这并不影响环路的消除，只是有可能VLAN 1和其他VLAN的根桥状态可能不一致。
图5 PVST+与SST对接示意图

Cisco

 

图5中所有链路默认VLAN是VLAN 1，并且都Trunk了VLAN 10和VLAN 20。SW1和SW3运行单生成树SST协议，而SW2运行PVST＋协议。在VLAN 1上，可能SW1是根桥，SW2的端口1被阻塞。在VLAN 10和VLAN 20上，SW2只能看到自己的PVST BPDU，所以在这两个VLAN上它认为自己是根桥。VLAN 10和VLAN 20的PVST BPDU会被SW1和SW3转发，所以SW2检测到这种环路后，会在端口2上阻塞VLAN 10和VLAN 20。这就是PVST＋协议提供的STP/RSTP兼容性。可以看出，网络中的二层环路能够被识别并消除，强求根桥的一致性是没有任何意义的。
由于每个VLAN都有一棵独立的生成树，单生成树的种种缺陷都被克服了。同时，PVST带来了新的好处，那就是二层负载均衡。

　
 

图6 PVST＋负载均衡示意图
　　

 

图6中四台设备都运行PVST＋协议，并且都Trunk了VLAN 10和VLAN 20。假设SW1是所有VLAN的根桥，通过配置可以使得SW4端口1上的VLAN 10和端口2上的VLAN 20阻塞，SW4的端口1所在链路仍然可以承载VLAN 20的流量，端口2所在链路也可以承载VLAN 10的流量，同时具备链路备份的功能。这在以往的单生成树情况下是无法实现的。
　　

 

聪明伶俐的 PVST/PVST ＋协议实现了 VLAN 认知能力和负载均衡能力，但是新技术也带来了新问题， PVST/PVST ＋协议也有它们的 “ 难言之隐 ” 。　　

 

第一点缺陷：由于每个VLAN都需要生成一棵树，PVST BPDU的通信量将正比于Trunk的VLAN个数。 　

 

第二点缺陷：在VLAN个数比较多的时候，维护多棵生成树的计算量和资源占用量将急剧增长。特别是当Trunk了很多VLAN的接口状态变化的时候，所有生成树的状态都要重新计算，CPU将不堪重负。所以，Cisco交换机限制了VLAN的使用个数，同时不建议在一个端口上Trunk很多VLAN。　　

 

第三点缺陷：由于协议的私有性，PVST/PVST＋不能像STP/RSTP一样得到广泛的支持，不同厂家的设备并不能在这种模式下直接互通，只能通过一些变通的方式实现，例如Foundry的IronSpan。IronSpan默认情况下运行的是STP协议，当某个端口收到PVST BPDU时，该端口的生成树模式会自动切换成PVST/PVST＋兼容模式。)

　
 

一般情况下，网络的拓扑结构不会频繁变化，所以PVST/PVST＋的这些缺点并不会很致命。但是，端口Trunk大量VLAN这种需求还是存在的。于是，Cisco对PVST/PVST＋又做了新的改进，推出了多实例化的MISTP协议。

　
 

多实例化的第三代生成树协议： MISTP/MSTP

　
 

多实例生成树协议MISTP（Multi-Instance Spanning Tree Protocol）定义了“实例”（Instance）的概念。简单的说，STP/RSTP是基于端口的，PVST/PVST＋是基于VLAN的，而MISTP就是基于实例的。所谓实例就是多个VLAN的一个集合，通过多个VLAN捆绑到一个实例中去的方法可以节省通信开销和资源占用率。

　
 

在使用的时候可以把多个相同拓扑结构的VLAN映射到一个实例里，这些VLAN在端口上转发状态将取决于对应实例在MISTP里的状态。值得注意的是网络里的所有交换机的VLAN和实例映射关系必须都一致，否则会影响网络连通性。为了检测这种错误，MISTP BPDU里除了携带实例号以外，还要携带实例对应的VLAN关系等信息。MISTP协议不处理STP/RSTP/PVST BPDU，所以不能兼容STP/RSTP协议，甚至不能向下兼容PVST/PVST＋协议，在一起组网的时候会出现环路。为了让网络能够平滑地从PVST＋模式迁移到MISTP模式，Cisco在交换机产品里又做了一个可以处理PVST BPDU的混合模式MISTP-PVST＋。网络升级的时候需要先把设备都设置成MISTP-PVST＋模式，然后再全部设置成MISTP模式。

 

MISTP带来的好处是显而易见的。它既有PVST的VLAN认知能力和负载均衡能力，又拥有可以和SST媲美的低CPU占用率。不过，极差的向下兼容性和协议的私有性阻挡了MISTP的大范围应用。

 

多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）是IEEE 802.1s中定义的一种新型多实例化生成树协议。这个协议目前仍然在不断优化过程中，现在只有草案（Draft）版本可以获得。不过Cisco已经在CatOS 7.1版本里增加了MSTP的支持，华为公司的三层交换机产品Quidway系列交换机也即将推出支持MSTP协议的新版本。

 

MSTP协议精妙的地方在于把支持MSTP的交换机和不支持MSTP交换机划分成不同的区域，分别称作MST域和SST域。在MST域内部运行多实例化的生成树，在MST域的边缘运行RSTP兼容的内部生成树IST（Internal Spanning Tree）。

　
 

图7 MSTP工作原理示意图

　
 

图7中间的MST域内的交换机间使用MSTP BPDU交换拓扑信息， SST域内的交换机使用STP/RSTP/PVST＋ BPDU交换拓扑信息。在MST域与SST域之间的边缘上，SST设备会认为对接的设备也是一台RSTP设备。而MST设备在边缘端口上的状态将取决于内部生成树的状态，也就是说端口上所有VLAN的生成树状态将保持一致。

 

MSTP设备内部需要维护的生成树包括若干个内部生成树IST，个数和连接了多少个SST域有关。另外，还有若干个多生成树实例MSTI（Multiple Spanning Tree Instance）确定的MSTP生成树，个数由配置了多少个实例决定。)
　　

 

MSTP相对于之前的种种生成树协议而言，优势非常明显。MSTP具有VLAN认知能力，可以实现负载均衡，可以实现类似RSTP的端口状态快速切换，可以捆绑多个VLAN到一个实例中以降低资源占用率。最难能可贵的是MSTP可以很好地向下兼容STP/RSTP协议。而且，MSTP是IEEE标准协议，推广的阻力相对小得多。

　
 

可见，各项全能的MSTP协议能够成为当今生成树发展的一致方向是当之无愧的。

　
 

生成树协议的未来之路

　　
 

任何技术的发展都不会因为某项“理想”技术的出现而停滞，生成树协议的发展历程本身就说明了这一点。随着应用的深入，各种新的二层隧道技术不断涌现，例如Cisco的802.1Q Tunneling，华为Quidway S8016的QinQ，以及基于MPLS的二层×××技术等。在这种新形势下，用户和服务提供商对生成树协议又会有新的需求。生成树协议该往何处走？这个问题虽然现在还没有一个统一的答案，但是各厂商已经开始了这方面的积极探索。也许不久的将来，支持二层隧道技术的生成树协议将成为交换机的标准协议。