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什么是STP?

STP(Spanning Tree Protocol)是一个用于局域网中消除环路的协议,它的标准是IEEE 802.1D。STP通过将部分冗余链路强制为阻塞状态,其他链路处于转发状态,将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构,可实现消除环路。当处于转发状态的链路不可用时,STP重新配置网络,并激活合适的备用链路状态,恢复恢复网络连通性。

为什么需要STP

在一个复杂的网络环境中,由于冗余备份的需要,网络设计者都倾向于在设备之间部署多条物理链路,其中一条作主用链路,其他链路作备份,偶然或必然中都会导致环路产生。环路会产生广播风暴,最终导致整个网络资源被耗尽,网络瘫痪不可用。环路还会引起MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏。

STP技术可以有效的解决环路问题,将彼此交互信息发现网络中的环路,将部分冗余链路强制为阻塞状态,其他链路处于转发状态。最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构,从而防止报文在环形网络中不断增生和无限循环,避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

STP vs RSTP vs MSTP

STP包含两种含义:

  • 狭义的STP是指IEEE 802.1D中定义的STP协议。
  • 广义的STP包括IEEE 802.1D中定义的STP、IEEE 802.1W中定义的快速生成树协议RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)和IEEE 802.1S中定义的多生成树协议MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol)。

目前,生成树协议支持如下:

  • STP是基础的数据链路层的管理协议,用于二层网络的环路检测和预防。但是,STP拓扑收敛速度慢。
  • RSTP在STP基础上进行了改进,实现了网络拓扑快速收敛。但RSTP和STP还存在同一个缺陷:局域网内所有的VLAN共享一棵生成树,不能按VLAN阻塞冗余链路,所有VLAN的报文都沿着一棵生成树进行转发。
  • MSTP通过设置VLAN映射表(即VLAN和生成树实例的对应关系表),把VLAN和生成树实例联系起来。同时它把一个交换网络划分成多个域,每个域内形成多棵生成树实例,生成树实例之间彼此独立。MSTP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。

生成树协议中,MSTP兼容RSTP、STP,RSTP兼容STP。三种生成树协议的比较如表1-1所示。

表1-1 三种生成树协议的比较

生成树协议

特点

应用场景

STP

  • 形成一棵无环路的树,解决广播风暴并实现冗余备份。
  • 收敛速度较慢。

无需区分用户或业务流量,所有VLAN共享一棵生成树。

RSTP

  • 形成一棵无环路的树,解决广播风暴并实现冗余备份。
  • 收敛速度快。

MSTP

  • 形成多棵无环路的树,解决广播风暴并实现冗余备份。
  • 收敛速度快。
  • 多棵生成树在VLAN间实现负载均衡,不同VLAN的流量按照不同的路径转发。

需要区分用户或业务流量,并实现负载分担。不同的VLAN通过不同的生成树转发流量,每棵生成树之间相互独立。

STP是如何工作的

STP的基本概念

从环形网络拓扑结构到树形结构,总体来说有三个要素:根桥、根端口和指定端口。

根桥:对于一个STP网络,根桥在全网中只有一个,它是整个网络的逻辑中心,但不一定是物理中心。在进行根桥的选择时,一般会选择性能高、网络层次高的交换设备作为根桥。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。

根端口:去往根桥路径开销最小的端口,根端口负责向根桥方向转发数据,这个端口的选择标准是依据路径开销判定。在一台设备上所有使能STP的端口中,根路径开销最小者,就是根端口。很显然,在一个运行STP协议的设备上根端口有且只有一个,根桥上没有根端口。

指定端口:指定桥与指定端口的描述见表1-2

表1-2 指定桥与指定端口的含义

分类

指定桥

指定端口

对于一台设备而言

与本机直接相连并且负责向本机转发配置消息的设备

指定桥向本机转发配置消息的端口

对于一个局域网而言

负责向本网段转发配置消息的设备

指定桥向本网段转发配置消息的端口

图1-2所示,AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2分别表示设备Device1、Device2、Device3的端口。

  • Device1通过端口AP1向Device2转发配置消息,则Device2的指定桥就是Device1,指定端口就是Device1的端口AP1。

  • 与局域网LAN相连的有两台设备:Device2和Device3,如果Device2负责向LAN转发配置消息,则LAN的指定桥就是Device2,指定端口就是Device2的BP2。
    指定桥与指定端口示意图
    指定桥与指定端口示意图

此外,设备和端口都有ID,分别是桥ID(BID)和端口ID(PID)。端口ID由端口优先级和端口号组成。桥ID由桥优先级和桥MAC两部分组成,在STP网络中,桥ID最小的设备会被选举为根桥。

STP的实现过程

STP的基本实现过程如下:

  1. 选择根网桥:网络初始化时,网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”,根桥ID为自身的设备ID。通过交换BPDU消息,设备之间比较根桥ID,网络中根桥ID最小的设备被选为根桥。根桥上的所有端口都是转发状态。
  2. 选择根端口:非根桥设备将接收最优配置消息的那个端口定为根端口,根端口也是处于转发状态。
  3. 选择指定端口:设备根据根端口的配置消息和根端口的路径开销,为每个端口计算一个指定端口配置消息,然后将计算出的配置消息与角色待定端口自己的配置消息进行比较。
    • 如果计算出的配置消息更优,则该端口被确定为指定端口,其配置消息也被计算出的配置消息替换,并周期性地向外发送;

    • 如果该端口自己的配置消息更优,则不更新该端口的配置消息并将该端口阻塞。该端口将不再转发数据,且只接收不发送配置消息。

一旦根桥、根端口和指定端口选举成功,整个树形拓扑就建立完毕了。在拓扑稳定后,只有根端口和指定端口转发流量,其他的非根、非指定端口都处于阻塞(Blocking)状态,它们只接收STP协议报文而不转发用户流量。下面结合例子说明STP算法实现的具体过程。

STP算法实现过程组网图及计算后的拓扑

STP算法实现过程组网图及计算后的拓扑
图1-3所示,DeviceA、DeviceB和DeviceC的优先级分别为0、1和2,DeviceA与DeviceB之间、DeviceA与DeviceC之间以及DeviceB与DeviceC之间链路的路径开销分别为5、10和4。
  1. 各设备的初始状态

    各设备的初始状态如表1-3所示。

    表1-3 各设备的初始状态

    设备

    端口名称

    端口的配置消息

    DeviceA

    Port A1

    {0,0,0,Port A1}

    Port A2

    {0,0,0,Port A2}

    DeviceB

    Port B1

    {1,0,1,Port B1}

    Port B2

    {1,0,1,Port B2}

    DeviceC

    Port C1

    {2,0,2,Port C1}

    Port C2

    {2,0,2,Port C2}

  2. 各设备的比较过程及结果

    各设备的比较过程及结果如表1-4所示,表格内配置消息中各项的具体含义为:{根桥ID,累计根路径开销,发送者BID,发送端口PID}。

    表1-4 STP拓扑计算过程及结果

    设备

    比较过程

    比较后端口的配置消息

    DeviceA

    • Port A1收到Port B1的配置消息{1,0,1,Port B1},发现自己的配置消息{0,0,0,Port A1}更优,于是将其丢弃。
    • Port A2收到Port C1的配置消息{2,0,2,Port C1},发现自己的配置消息{0,0,0,Port A2}更优,于是将其丢弃。
    • DeviceA发现自己各端口的配置消息中的根桥和指定桥都是自己,于是认为自己就是根桥,各端口的配置消息都不作任何修改,此后便周期性地向外发送配置消息。
    • Port A1:{0,0,0,Port A1}
    • Port A2:{0,0,0,Port A2}

    DeviceB

    • Port B1收到Port A1的配置消息{0,0,0,Port A1},发现其比自己的配置消息{1,0,1,Port B1}更优,于是更新自己的配置消息。
    • Port B2收到Port C2的配置消息{2,0,2,Port C2},发现自己的配置消息{1,0,1,Port B2}更优,于是将其丢弃。
    • Port B1:{0,0,0,Port A1}
    • Port B2:{1,0,1,Port B2}
    • DeviceB比较自己各端口的配置消息,发现Port B1的配置消息最优,于是该端口被确定为根端口,其配置消息不变。
    • DeviceB根据根端口的配置消息和路径开销,为Port B2计算出指定端口的配置消息{0,5,1,Port B2},然后与Port B2本身的配置消息{1,0,1,Port B2}进行比较,发现计算出的配置消息更优,于是Port B2被确定为指定端口,其配置消息也被替换为计算出的配置消息,并周期性地向外发送。
    • 根端口Port B1:{0,0,0,Port A1}
    • 指定端口Port B2:{0,5,1,Port B2}

    DeviceC

    • Port C1收到Port A2的配置消息{0,0,0,Port A2},发现其比自己的配置消息{2,0,2,Port C1}更优,于是更新自己的配置消息。
    • Port C2收到Port B2更新前的配置消息{1,0,1,Port B2},发现其比自己的配置消息{2,0,2,Port C2}更优,于是更新自己的配置消息。
    • Port C1:{0,0,0,Port A2}
    • Port C2:{1,0,1,Port B2}
    • DeviceC比较自己各端口的配置消息,发现Port C1的配置消息最优,于是该端口被确定为根端口,其配置消息不变。
    • DeviceC根据根端口的配置消息和路径开销,为Port C2计算出指定端口的配置消息{0,10,2,Port C2},然后与Port C2本身的配置消息{1,0,1,Port B2}进行比较,发现计算出的配置消息更优,于是Port C2被确定为指定端口,其配置消息也被替换为计算出的配置消息。
    • 根端口Port C1:{0,0,0,Port A2}
    • 指定端口Port C2:{0,10,2,Port C2}
    • Port C2收到Port B2更新后的配置消息{0,5,1,Port B2},发现其比自己的配置消息{0,10,2,Port C2}更优,于是更新自己的配置消息。
    • Port C1收到Port A2周期性发来的配置消息{0,0,0,Port A2},发现其与自己的配置消息一样,于是将其丢弃。
    • Port C1:{0,0,0,Port A2}
    • Port C2:{0,5,1,Port B2}
    • DeviceC比较Port C1的根路径开销10(收到的配置消息中的根路径开销0+本端口所在链路的路径开销10)与Port C2的根路径开销9(收到的配置消息中的根路径开销5+本端口所在链路的路径开销4),发现后者更小,因此Port C2的配置消息更优,于是Port C2被确定为根端口,其配置消息不变。
    • DeviceC根据根端口的配置消息和路径开销,为Port C1计算出指定端口的配置消息{0,9,2,Port C1},然后与Port C1本身的配置消息{0,0,0,Port A2}进行比较,发现本身的配置消息更优,于是Port C1被阻塞,其配置消息不变。从此,Port C1不再转发数据,直至有触发生成树计算的新情况出现,譬如DeviceB与DeviceC之间的链路down掉。
    • 阻塞端口Port C1:{0,0,0,Port A2}
    • 根端口Port C2:{0,5,1,Port B2}

拓扑稳定后,根桥仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU报文,非根桥设备从根端口收到配置BPDU报文,通过指定端口转发。如果接收到的优先级比自己高的配置BPDU,则非根桥设备会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己相应的端口存储的配置BPDU信息。

STP的典型应用

在一个复杂的网络中,网络规划者由于冗余备份的需要,一般都倾向于在设备之间部署多条物理链路,其中一条作主用链路,其他链路作备份。这样就难免会形成环形网络,若网络中存在环路,可能会引起广播风暴和MAC表项被破坏。

图1-4所示,在网络中部署STP协议,通过彼此交互信息发现网络中的环路,并有选择的对某个端口进行阻塞,最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构,从而防止报文在环形网络中不断增生和无限循环,避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降。

STP典型应用组网图
STP典型应用组网图
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  • 作者: 张艳琳
  • 最近更新: 2021-10-09
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