虹科干貨 | 生成樹(shù)協(xié)議STP解決網(wǎng)絡(luò)中的二層環(huán)路問(wèn)題

分享摘要：生成樹(shù)協(xié)議( STP ) 是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)環(huán)路拓?fù)?。?dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，RSTP 提供比 802.1D STP 更快的收斂速度。它還可以與HSR/ PRP結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)可靠的以太網(wǎng)通信。

一、交換機(jī)之間的循環(huán)

交換機(jī)之間進(jìn)行互連時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)封閉的物理環(huán)路，這意味著兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間可能存在不止一條路徑。這些環(huán)路可能是由錯(cuò)誤造成的，或者是因?yàn)樾枰哂嗦窂揭员ＷC可靠性。如果在交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路的情況下，發(fā)送給主機(jī)的Broadcast 、Unknown Unicast Frame將無(wú)法到達(dá)目的地，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)停止服務(wù)。這種情況的出現(xiàn)，主要是由透明交換機(jī)的兩個(gè)特點(diǎn)決定的：

• 當(dāng)目標(biāo)地址不在其地址表中時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行泛洪。
• 轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，副本與原始幀無(wú)法區(qū)分。沒(méi)有字段（例如跳轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器）來(lái)區(qū)分連續(xù)副本。

二、解決辦法是什么？

有兩種可能的策略：

1.嚴(yán)禁創(chuàng)建帶有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)。

2.啟用某種機(jī)制，允許交換機(jī)檢測(cè)拓?fù)渲惺欠翊嬖诃h(huán)路，從而禁用必要的接口來(lái)避免環(huán)路的產(chǎn)生。

這就是生成樹(shù)協(xié)議發(fā)揮作用的地方。生成樹(shù)中的任何一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間只有一個(gè)可能的路徑（沒(méi)有循環(huán)的樹(shù)）。生成樹(shù)協(xié)議的目標(biāo)是在邏輯上禁用接口以始終實(shí)現(xiàn)生成樹(shù)。

因此，為了了解網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而禁用接口，會(huì)發(fā)送生成樹(shù)消息，這些消息稱(chēng)為BPDU（橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。BPDU 使用保留的多播地址01-80-C2-00-00-00-00，以確保非生成樹(shù)交換機(jī)透明地傳播它們。

生成樹(shù)操作

生成樹(shù)協(xié)議操作流程如下：

• 交換機(jī)定期交換帶有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>信息的BPDU。
• 每個(gè)交換機(jī)都有一個(gè)標(biāo)識(shí)符 (sw-ID)，它根據(jù)其 MAC 地址創(chuàng)建。
• 此外，每個(gè)端口都有一個(gè)標(biāo)識(shí)符 (port-ID) 和與之相關(guān)的成本。
• 交換機(jī)選擇具有最低 sw-ID 的交換機(jī)作為樹(shù)的根。它們都選擇同一個(gè)。
• 每個(gè)交換機(jī)通過(guò)其接口發(fā)送BPDUs，表明其sw-ID、根交換機(jī)的sw-ID以及到達(dá)根交換機(jī)的成本。BPDU在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播，每個(gè)交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)都會(huì)加上它所通過(guò)的接口的成本。
• 收到 BPDU 后，每臺(tái)交換機(jī)都會(huì)計(jì)算出它可以通過(guò)哪個(gè)端口才能以最低成本到達(dá)根交換機(jī)，進(jìn)而決定根端口，在存在相同成本的情況下，它會(huì)選擇最低的端口ID。
• 每個(gè) LAN 都有一個(gè)指定端口，該端口是該 LAN 以最低成本訪(fǎng)問(wèn)根交換機(jī)的端口。
• 既不是根也不是指定的端口是阻塞端口。這些端口對(duì)于通信是不必要的，如果允許操作，它們會(huì)導(dǎo)致循環(huán)。

傳統(tǒng)的生成樹(shù) (IEEE 802.1D)存在收斂問(wèn)題，因?yàn)橥負(fù)涓目赡苄枰?30 秒到幾分鐘。這在某些情況下是無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)要求的。1998 年，快速生成樹(shù)協(xié)議（RSTP，IEEE 802.1w）的標(biāo)準(zhǔn)化工作完成，這是原始協(xié)議的一種變體，可將收斂時(shí)間減少到大約6 秒。如今，傳統(tǒng)的生成樹(shù)已被宣布過(guò)時(shí)。

在RSTP中，交換機(jī)保留著通往根的第二條最低成本路徑的信息，因此在發(fā)生故障時(shí)切換到新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要比STP協(xié)議更快。

RSTP 樹(shù)

三、多個(gè) RSTP – MSTP

RSTP協(xié)議已經(jīng)成為在包括冗余的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中防止第二層循環(huán)的選擇。如果網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)交換機(jī)，則它必須能夠運(yùn)行RSTP算法。

另一種有趣的冗余形式或針對(duì)環(huán)路的安全性是使用多生成樹(shù)協(xié)議 (MSTP)。MSTP 是 RSTP 的擴(kuò)展，可以將 VLAN 分組到生成樹(shù)實(shí)例中。它為數(shù)據(jù)流量提供了多條轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡。

MSTP為每個(gè)VLAN組配置一個(gè)單獨(dú)的生成樹(shù)，允許每個(gè)VLAN有一個(gè)配置的根橋和轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它在每個(gè)生成樹(shù)中阻斷所有可能的備用路徑，只保留一條。

虹科提供了將RSTP和MSTP功能集成到網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)，即虹科網(wǎng)管冗余交換機(jī)（MES）。這是一個(gè)具有許多配置選項(xiàng)的FPGA的IP核解決方案，能夠支持RSTP和MSTP，可用于多種類(lèi)型應(yīng)用的交換機(jī)。若想了解更多關(guān)于STP協(xié)議的技術(shù)與應(yīng)用，歡迎隨時(shí)通過(guò)info@hkaco.com來(lái)聯(lián)系我們。

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