STP生成树协议

一、核心概念与要解决的问题

1. 协议定位与核心矛盾

• 全称：Spanning Tree Protocol
• 本质：二层链路管理协议，通过逻辑阻塞冗余链路，构建 “无环且有冗余” 的二层网络拓扑。
• 解决的核心问题：
  1. 广播风暴：消除二层环路导致的数据包无限循环转发。
  2. MAC表震荡：避免因环路引发的MAC地址表频繁刷新，导致设备无法正常转发。
  3. 冗余备份：在主链路发生故障时，备份链路能够自动切换，保障网络高可用性。

二、STP (802.1D) 详细工作流程（选举过程）

STP通过严格的选举过程构建无环拓扑，这个过程就像是为一支军队建立指挥体系：

Step 1: 选举根桥 (Root Bridge) - 最高指挥官

• 规则：所有交换机通过交换BPDU报文，比较桥ID (BID)，值最小的成为根桥。
• 选举细节：
  • 桥ID = 桥优先级 (2字节) + MAC地址 (6字节)
  • 先比较优先级（默认为32768），数值小者优。
  • 若优先级相同，则比较MAC地址，MAC地址小者优。
• 为什么：根桥是生成树的根，是所有路径计算的唯一参考点，确保网络中没有循环路径。

Step 2: 选举根端口 (Root Port) - 每台交换机的“回家”之路

• 定义：在每台非根桥交换机上，有且只有一个根端口。这是到达根桥路径开销最小的端口。
• 选举规则 (按顺序比较，直到决出胜负)：
  1. 最低的根路径开销：计算到达根桥的累计路径开销，值最小的端口胜出。
  2. 最小的发送者桥ID：如果路径开销相同，则选择接收到BPDU报文中，发送方交换机BID最小的那个端口。
  3. 最小的发送者端口ID：如果发送方BID也相同，则选择BPDU报文中发送方端口ID最小的那个端口。
  4. 最小的本机端口ID：如果以上全部相同（极其罕见），则最终比较本机自己的端口ID，小者胜出。
• 核心功能：数据“上传”。根端口负责将本地的数据流量 “向上”发送往根桥方向。

Step 3: 选举指定端口 (Designated Port) - 链路上的“权威出口”

• 定义：在每一个网络 segment（链路） 上，有且只有一个指定端口。这是该链路上负责向下游转发数据的“权威”端口。
• 选举规则：链路上连接的两台设备会相互比较，谁有“更优”的根路径信息，谁的端口就成为指定端口。比较规则与根端口选举类似，但视角是“谁的路径更适合代表这条链路”：
  1. 更低的根路径开销：通过本机到达根桥的开销更小的设备，其端口成为DP。
  2. 更小的桥ID：如果根路径开销相同，则BID更小的交换机，其端口成为DP。
  3. 更小的端口ID：如果BID也相同（例如一台交换机的两个端口连成环路），则端口ID更小的端口成为DP。
• 特例：根桥的所有活动端口都是指定端口，因为它的根路径开销为0，是最优的。
• 核心功能：数据“下发”。指定端口负责从根桥方向接收数据，并 “向下”转发给下游网络。

Step 4: 阻塞剩余端口 (Blocking/Alternate Port) - 逻辑断环

• 定义：所有既不是根端口也不是指定端口的端口，将被置于阻塞状态。
• 作用：这是STP打破环路的关键操作。被阻塞的端口不会转发任何数据帧，只接收BPDU报文以监听网络状态变化，作为备份路径存在。

📌 数据流向核心总结：

• 指定端口 (DP)：是数据的 “下行通道” ，将数据从网络核心（根桥）推向边缘。
• 根端口 (RP)：是数据的 “上行通道” ，将数据从网络边缘汇聚到核心。
• 这种明确的、层次化的数据流向，从机制上保证了整个网络绝无环路。

📌 BPDU的流向：

• STP规定只有根桥才会周期性（每2秒）地自发产生配置BPDU。
• 非根桥永远不会自发产生配置BPDU。 它们只是在根端口收到根桥的BPDU后，触发一个动作：从自己的指定端口向下发送一个“更新后”的BPDU。

STP端口状态迁移过程

端口从启动到最终转发数据，需要经历严格的状态机，这是收敛慢的主要原因：

状态	接收BPDU	学习MAC地址	转发数据帧	持续时间	目的
阻塞 (Blocking)	✓	✗	✗	最多20秒	防止在计算完成前形成环路
监听 (Listening)	✓	✗	✗	15秒	参与STP计算，确定端口角色
学习 (Learning)	✓	✓	✗	15秒	构建MAC地址表，为转发做准备
转发 (Forwarding)	✓	✓	✓	稳定状态	正常传输用户数据
禁用 (Disabled)	✗	✗	✗	-	管理员手动关闭

总收敛时间：从拓扑变化到恢复通信，通常需要30秒（Listening + Learning） 到50秒（Max Age + Listening + Learning）。

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三、RSTP快速生成树协议

1. RSTP概述

RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，IEEE 802.1w）是STP的演进版本，旨在解决传统STP收敛速度慢的问题。它完全兼容STP，但通过改进算法和机制，将收敛时间从STP的30-50秒缩短到亚秒级（通常在1秒以内）。

2. 相对于STP的核心改进

RSTP在STP基础之上进行了四项关键性优化，如下表所示：

对比维度	STP (802.1D)	RSTP (802.1w)	RSTP的改进点与优势
端口角色	根端口、指定端口、阻塞端口	根端口、指定端口、替代端口、备份端口	新增明确备份角色，为快速切换提供清晰路径
端口状态	5种：阻塞、监听、学习、转发、禁用	3种：丢弃、学习、转发	简化状态机，丢弃状态合并了禁用/阻塞/监听状态，操作更高效
BPDU处理	仅根桥发送配置BPDU，非根桥只转发	所有交换机每2秒独立发送BPDU（Hello包）	BPDU充当保活机制，使故障检测不再依赖超时
收敛机制	依赖计时器超时（Max Age, Forward Delay）	P/A握手机制、边缘端口、BPDU保活	通过主动协商和预设，消除漫长的等待时间

3. 三大快速收敛机制详解

3.1. P/A（提议/同意）握手机制

这是RSTP实现瞬时转发最核心的机制，用于点对点链路。

• 目标：在确认无环的前提下，绕过Listening和Learning状态，直接进入Forwarding状态。
• 前提：仅在点对点（全双工）链路上生效。
• 过程流程：
  1. Proposal（提议）：上游交换机（如根桥）在其指定端口上发送P标志置位的BPDU。该端口此时处于Discarding状态。
  2. Sync（同步）：下游交换机收到P置位的BPDU后，阻塞所有非边缘端口（除了接收端口），以确保接受提议不会引入环路。此步骤是防环的关键。
  3. Agreement（同意）：下游交换机完成同步后，从其根端口向上游回复一个A标志置位的BPDU，并立即将该根端口置为Forwarding状态。
  4. 快速转发：上游交换机收到A置位的回复后，立即将其指定端口置为Forwarding状态。
• 递归：此过程会从根桥开始，递归地发生在整个网络的每一跳链路上。

3.2. 边缘端口（Edge Port）

• 定义：直接连接终端设备（如PC、服务器）的端口，这些端口不可能形成环路。
• 行为：边缘端口跳过STP计算，在链路激活后立即进入Forwarding状态，实现终端设备的即时接入。
• 安全防护（必配）：必须配置 BPDU Guard 功能。如果边缘端口意外收到BPDU（表明可能接入了一台交换机），交换机立即将该端口置为 err-disable 状态，从而在保证快速性的同时防止环路。

3.3. BPDU作为保活包（BPDU used as Keep-alive）

• 行为：在RSTP中，所有交换机都会独立地每2秒（Hello Time）从指定端口和根端口发送BPDU。
• 故障检测：如果一个端口连续3次（即6秒，3 * Hello Time）没有收到对端发来的BPDU，它就立即认为链路或邻居失效，并触发拓扑重新计算。
• 对比STP：这替代了STP中被动等待Max Age计时器超时（20秒）的缓慢故障检测机制。

4. RSTP端口角色与备份路径

RSTP通过细化端口角色，明确了备份路径，实现了故障的快速切换。

端口角色	定义与作用	确定方式
根端口 (RP)	非根桥上通往根桥的最佳路径的端口。	到根桥的路径开销最小。
指定端口 (DP)	网段上通往根桥路径最优的端口，负责转发数据。	比较网段两端交换机提供的根路径开销，更优者胜出。
替代端口 (Alternate Port)	根端口的备份。提供了另一条通往根桥的次优路径。	收到其他交换机发出的更优BPDU的端口。
备份端口 (Backup Port)	指定端口的备份。提供了另一条连接到同一网段的备份链路。	收到本台交换机自己发出的更优BPDU的端口（多见于共享介质）。

收敛：当主端口（RP或DP）故障时，对应的备份端口（Alternate或Backup）会立即接管，无需任何延时，直接进入转发状态。

5. 配置示例（以Cisco IOS为例）

5.1. 启用RSTP

默认情况下，Cisco交换机运行的是PVST+（每VLAN STP）。要启用RSTP，需要将STP模式改为Rapid-PVST+。

SW1# configure terminal
SW1(config)# spanning-tree mode rapid-pvst  ! 全局启用Rapid-PVST+

5.2. 配置根桥与次级根桥

# 将交换机配置为VLAN 1的主根桥
SW1(config)# spanning-tree vlan 1 root primary

# 将交换机配置为VLAN 1的备份根桥
SW2(config)# spanning-tree vlan 1 root secondary

5.3. 配置边缘端口与BPDU Guard

在接口下直接配置：

SW1(config)# interface GigabitEthernet0/1
SW1(config-if)# spanning-tree portfast        ! 将端口设置为边缘端口
SW1(config-if)# spanning-tree bpduguard enable ! 启用BPDU Guard保护

全局配置并自动启用：

SW1(config)# spanning-tree portfast default   ! 将所有Access端口默认设为边缘端口
SW1(config)# spanning-tree portfast bpduguard default ! 为所有边缘端口全局启用BPDU Guard

5.4. 调整端口开销与优先级（可选）

用于手动控制根端口选举和流量路径。

SW1(config)# interface GigabitEthernet0/2
SW1(config-if)# spanning-tree cost 1000       ! 手动修改端口开销，影响RP选举
SW1(config-if)# spanning-tree port-priority 112 ! 修改端口优先级（0-255），影响DP选举

5.5. 验证命令

SW1# show spanning-tree verbose              ! 查看详细的RSTP状态信息
SW1# show spanning-tree interface GigabitEthernet0/1 detail ! 查看指定端口的详细角色和状态
SW1# show spanning-tree summary              ! 查看STP模式摘要，确认运行的是rapid-pvst

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四、MSTP多生成树协议

1. 前置概念：PVST+与RPVST+

在深入了解MSTP之前，必须理解Cisco私有协议PVST+和RPVST+，因为它们是理解MSTP优势的重要背景。

1.1. PVST+ (Per-VLAN Spanning Tree Plus)

• 含义：增强型每VLAN生成树协议，是Cisco对标准STP（IEEE 802.1D）的扩展。
• 工作原理：为网络中的每一个VLAN都独立地运行一个STP实例。每个VLAN都有自己独立的根桥、端口角色和状态。
• 优点：
  • 提供了基于VLAN的负载分担可能性。可以通过为不同VLAN指定不同的根桥，让流量走不同的路径。
  • 比标准的CST（公共生成树，所有VLAN共用一棵树）更有弹性。
• 缺点：
  • 资源消耗巨大：在一个包含上百个VLAN的网络中，交换机需要计算和维护上百棵生成树，对CPU和内存是沉重的负担。
  • 收敛速度慢：基于传统的STP，收敛时间依然长达30-50秒。

1.2. RPVST+ (Rapid Per-VLAN Spanning Tree Plus)

• 含义：增强型快速每VLAN生成树协议，是Cisco对标准RSTP（IEEE 802.1w）的扩展。
• 工作原理：同样是为每个VLAN运行一个生成树实例，但每个实例都使用了RSTP的快速收敛机制（P/A握手、边缘端口等）。
• 优点：
  • 既拥有了PVST+的每VLAN负载分担能力，又拥有了RSTP的亚秒级快速收敛速度。
  • 是Cisco交换机的默认模式。
• 缺点：
  • 资源消耗问题依旧存在：虽然收敛快了，但“每VLAN一棵树”的模型在超大规规模VLAN环境中依然非常消耗资源。

MSTP可以看作是解决PVST+/RPVST+资源消耗问题的“标准化”方案。

协议	生成树实例数量	收敛速度	资源消耗	标准/私有
PVST+	每个VLAN一个	慢（秒级）	高	Cisco私有
RPVST+	每个VLAN一个	快（亚秒级）	高	Cisco私有
MSTP	每个实例一个（1个IST + n个MSTI）	快（亚秒级）	低	IEEE标准

结论：MSTP通过将多个VLAN分组到少数几个实例中，在保持快速收敛和负载分担能力的同时，极大地降低了系统开销，并因其IEEE标准身份实现了多厂商设备兼容。而RPVST+则是中小型纯Cisco环境中一个简单有效的常见选择。

2. MSTP概述

MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol，IEEE 802.1s）是RSTP的进一步发展，旨在解决在大型网络、特别是多VLAN环境中RSTP和STP的局限性。其核心思想是“实例化”，允许将多个VLAN映射到少数几个生成树实例上，从而实现负载分担和更高效的资源利用。

• 解决的问题：
  • PVST+/RPVST+的资源消耗：每个VLAN运行一个生成树实例，在VLAN数量庞大时，会消耗大量交换机CPU和内存资源。
  • 无法实现负载分担：在PVST+中，所有VLAN的拓扑结构相同（除非手动调整优先级），所有流量都走同一条最优路径，无法利用冗余链路。

3. 核心概念

3.1. MST区域 (MST Region)

MSTP网络的基本组成单元。要属于同一个区域，多台交换机必须配置完全相同的三大属性：

1. 区域名称 (Region Name)：文本字符串。
2. 修订级别 (Revision Number)：一个数字，用于标识配置版本，默认0。
3. VLAN与实例的映射表 (VLAN-to-Instance Mapping)：定义哪些VLAN归属于哪个生成树实例。

只有配置完全相同的交换机才被认为在同一个MST区域内。 区域之间通过计算CST（公共生成树）互联。

3.2. 生成树实例 (Spanning Tree Instance)

MSTP的核心，分为两种类型：

• IST (Internal Spanning Tree)：实例0。这是默认且必须存在的实例。它承载所有未明确映射到其他实例的VLAN，并负责管理MST区域与外部网络（如运行STP的区域）的通信。
• MSTI (Multiple Spanning Tree Instance)：实例1-4094。用户自定义的实例。每个MSTI在区域内部独立计算一个无环拓扑，彼此互不影响。可以将需要遵循相同拓扑路径的VLAN组映射到同一个MSTI上。

3.3. CST与CIST

• CIST (Common and Internal Spanning Tree)：整个交换网络（可能包含多个MST区域和运行STP/RSTP的交换机）中，连接所有交换机的一棵总生成树。它由每个MST区域的IST实例和区域间的链路共同构成。
• CST (Common Spanning Tree)：特指连接不同MST区域的那部分生成树。每个MST区域在CST看来就像一台“虚拟交换机”。

4. MSTP的工作机制与优势

4.1. 工作机制

1. 区域内：在每个MST区域内部，IST和所有MSTI独立进行拓扑计算，使用和RSTP相同的P/A快速收敛机制。
2. 区域间：不同MST区域之间通过CST互联。CST将每个区域视为一个整体（虚拟桥），在区域边界上计算出一棵无环的生成树。

4.2. 核心优势：负载分担

MSTP最大的优势是能够通过不同的MSTI实现基于VLAN的负载分担。

• 场景：核心交换机SW1和SW2之间有两条Trunk链路：Link-A和Link-B。
• 配置：
  • 将VLAN 10, 20, 30映射到MSTI 1，并调整成本或优先级，使其根桥在SW1，阻塞SW2上指向Link-B的端口。此时VLAN 10,20,30的流量走Link-A。
  • 将VLAN 40, 50, 60映射到MSTI 2，并调整成本或优先级，使其根桥在SW2，阻塞SW1上指向Link-A的端口。此时VLAN 40,50,60的流量走Link-B。
• 结果：两条物理链路都被有效利用，实现了流量的负载分担，提升了网络整体带宽。

5. 配置示例（以Cisco IOS为例）

5.1. 启用MSTP并进入配置模式

SW1# configure terminal
SW1(config)# spanning-tree mode mst  ! 全局启用MSTP模式
SW1(config)# spanning-tree mst configuration ! 进入MST区域配置模式

5.2. 配置区域三大属性（必须一致）

SW1(config-mst)# name REGION_A       ! 配置区域名称
SW1(config-mst)# revision 1          ! 配置修订号
SW1(config-mst)# instance 1 vlan 10, 20, 30  ! 将VLAN 10,20,30映射到实例1 (MSTI1)
SW1(config-mst)# instance 2 vlan 40, 50, 60  ! 将VLAN 40,50,60映射到实例2 (MSTI2)
SW1(config-mst)# exit                ! 退出配置模式，修改会自动生效

重要：网络中所有需要处于同一区域的交换机，以上三条命令必须完全一致。

5.3. 配置每个实例的根桥

可以为每个MSTI指定不同的根桥，这是实现负载分担的关键。

# 将本交换机配置为MST实例1的根桥
SW1(config)# spanning-tree mst 1 root primary

# 将本交换机配置为MST实例2的次级根桥
SW1(config)# spanning-tree mst 2 root secondary

5.4. 调整实例的端口优先级或开销（可选）

更精细地控制每个实例的路径选择。

SW1(config)# interface GigabitEthernet0/1
SW1(config-if)# spanning-tree mst 1 cost 1000000  ! 在MSTI1中增大开销，使该端口不被优选
SW1(config-if)# spanning-tree mst 2 port-priority 112 ! 在MSTI2中修改端口优先级

5.5. 验证与查看命令

# 查看MSTP的配置摘要
SW1# show spanning-tree mst configuration

# 查看所有MST实例的摘要状态
SW1# show spanning-tree mst summary

# 查看特定MST实例（如实例1）的详细拓扑信息
SW1# show spanning-tree mst 1

# 查看接口在不同MST实例中的角色和状态
SW1# show spanning-tree mst interface GigabitEthernet0/1

6. 总结与对比

特性	STP/RSTP (PVST+/RPVST+)	MSTP
核心思想	每VLAN一棵树	多个VLAN一组实例
资源消耗	高（VLAN多时）	低（与实例数相关，与VLAN数无关）
负载分担	难实现，需逐VLAN调整	易于实现，按实例调整
配置复杂度	低（简单网络）	高（需规划区域和映射）
适用场景	中小型网络，VLAN数量少	中大型网络，VLAN数量多，需负载分担

总结：MSTP通过引入“实例”和“区域”的概念，在保持RSTP快速收敛优点的同时，极大地提升了网络的可扩展性和链路利用效率，是构建大型企业级数据中心和园区网的首选生成树协议。

五、总结与对比

特性	STP (802.1D)	RSTP (802.1w)	MSTP (802.1s)
收敛速度	慢 (30-50s)	快 (秒级)	快 (继承RSTP)
端口角色	RP, DP	RP, DP, AP, BP	同RSTP
VLAN支持	所有VLAN一棵树 (CST)	所有VLAN一棵树 (CST)	多实例，VLAN分组负载分担
资源消耗	低	低	中（每实例独立计算）
适用场景	老旧网络	现代中小型网络	大型企业、数据中心、复杂网络

演进历程：STP 解决了从无到有（基础无环）-> RSTP 解决了从慢到快（快速收敛）-> MSTP 解决了从用到好用（负载均衡、资源优化）。

核心回顾：STP的核心是通过选举（根桥、根端口、指定端口） 和阻塞来逻辑破环。深刻理解 “根端口是数据上行通道，指定端口是数据下行通道” 是掌握其机制的关键。