mstp的工作过程

twb5201314

于 2024-10-30 23:06:36 发布

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MSTP（多生成树协议）是一种在以太网网络中用于构建冗余链路和防止环路的协议，其工作过程主要包括以下几个阶段：

1. 区域划分与实例创建

区域划分：MSTP 网络可以包含多个区域，通过配置相同的区域名称、修订级别和 VLAN 到实例的映射关系来划分区域。这些区域的边界通常是由交换机来界定的。在一个区域内，MSTP 可以对多个 VLAN 进行统一的生成树计算。
实例创建：在每个 MSTP 区域内，会创建多个生成树实例（MSTI）。其中，有一个特殊的实例是 IST（内部生成树），它是每个 MSTP 区域内的一棵公共生成树，用于转发未映射到其他 MSTI 的 VLAN 数据。其他的 MSTI 可以根据需要将不同的 VLAN 映射到它们上面，以实现不同 VLAN 的负载均衡和冗余备份。例如，将 VLAN 10 - 20 映射到 MSTI 1，VLAN 30 - 40 映射到 MSTI 2 等。

2. 交换机角色选举

根桥选举：在每个生成树实例（包括 IST 和 MSTI）中，交换机之间会通过交换 BPDU（桥接协议数据单元）来选举根桥。BPDU 中包含了交换机的优先级、MAC 地址等信息。交换机优先级值越小，越有可能成为根桥；如果优先级相同，则 MAC 地址最小的交换机成为根桥。根桥是整个生成树的核心，所有的数据转发路径最终都指向根桥。
端口角色确定：除了根桥选举外，其他交换机上的端口角色也会被确定。端口角色主要有根端口、指定端口和非指定端口。
- 根端口：每个非根桥交换机有且只有一个根端口，它是该交换机上到根桥路径开销最小的端口。路径开销是根据链路带宽等因素计算得出的，带宽越高，路径开销越小。根端口用于接收最优的 BPDU 并向根桥方向转发数据。
- 指定端口：在每个网段上，会选举出一个指定端口，它负责向该网段转发数据。指定端口通常是连接到根桥或到根桥路径开销较小的端口。
- 非指定端口：既不是根端口也不是指定端口的端口会被阻塞，以防止网络环路。这些端口不参与数据转发，但会继续接收和处理 BPDU，以便在网络拓扑发生变化时能及时调整端口角色。

3. 生成树计算与路径确定

路径开销计算：交换机根据链路的带宽等参数计算每条路径到根桥的开销。例如，对于 100Mbps 的链路和 1000Mbps 的链路，1000Mbps 链路的路径开销通常较小。通过比较不同路径的开销，交换机可以选择最优的路径来转发数据。
生成树构建：基于根桥、端口角色和路径开销，每个生成树实例都会构建出一棵无环的生成树拓扑。在这个拓扑中，数据流量会沿着树状结构从源节点流向根桥，再从根桥流向目标节点。例如，在一个简单的网络拓扑中，接入层交换机通过其根端口连接到汇聚层交换机的指定端口，汇聚层交换机之间也通过指定端口相连，形成一个没有环路的树形网络结构。

4. 网络拓扑收敛与维护

收敛过程：当网络拓扑发生变化时（如链路故障、新交换机加入等），交换机会检测到这种变化，并重新进行生成树计算。这个过程称为收敛。在收敛期间，交换机会停止转发数据，直到新的生成树拓扑计算完成，以确保网络中不会出现环路。
BPDU 监测与维护：交换机持续地发送和接收 BPDU 来监测网络的状态。如果在一定时间内没有收到来自根桥或其他交换机的 BPDU，交换机会认为拓扑可能发生了变化，并启动相应的机制来重新确定端口角色和生成树拓扑。同时，交换机也会根据收到的 BPDU 中的信息来更新自己的端口状态和路径开销等参数，以适应网络的动态变化。

通过以上工作过程，MSTP 可以有效地在以太网网络中提供冗余链路备份，同时防止网络环路的出现，提高网络的可靠性和稳定性。

主要的优点

网络可靠性高
- MSTP 通过构建生成树来防止网络环路。在网络中存在冗余链路的情况下，环路很容易形成，这会导致广播风暴、多帧复制等问题，严重影响网络性能。MSTP 能够自动检测并阻塞可能导致环路的链路，确保网络拓扑是一个无环的树状结构。例如，在企业园区网络中，接入层交换机到汇聚层交换机之间可能存在多条链路，MSTP 可以合理地利用这些链路，同时避免环路产生，当一条链路出现故障时，被阻塞的备份链路可以迅速切换，保证网络的持续连通性。
- 支持快速收敛。当网络拓扑发生变化，如链路故障或交换机故障时，MSTP 能够快速重新计算生成树，通常在几秒内就能完成收敛过程。相比传统的生成树协议，收敛速度大大提高。快速收敛可以减少网络中断时间，对于实时性要求较高的应用（如语音通话、视频会议等）非常重要，能够有效降低数据丢失和服务中断的风险。
负载均衡能力强
- MSTP 可以将不同的 VLAN（虚拟局域网）映射到不同的生成树实例（MSTI）上。通过这种方式，不同 VLAN 的数据流量可以在不同的链路路径上传输，实现了负载均衡。例如，假设有 VLAN10 和 VLAN20，VLAN10 的数据可以通过一条链路转发，而 VLAN20 的数据通过另一条链路转发，这样可以充分利用网络中的冗余链路资源，避免某些链路过度负载，而其他链路闲置的情况，从而提高了整个网络的带宽利用率。
兼容性好
- MSTP 兼容传统的 STP（生成树协议）和 RSTP（快速生成树协议）。这使得在网络升级或混合部署多种设备时，MSTP 能够与旧设备无缝协作。例如，在一个既有老一代支持 STP 的交换机，又有新的支持 MSTP 交换机的网络环境中，MSTP 交换机能够识别并与 STP 交换机进行正常的生成树协商和数据交换，确保整个网络的稳定性和一致性，这为企业逐步更新网络设备提供了便利，保护了原有设备投资。
灵活的 VLAN 管理
- 可以灵活地配置 VLAN 到生成树实例的映射关系。网络管理员可以根据实际的网络需求（如部门划分、应用类型等），将多个 VLAN 组合到一个生成树实例中，或者为每个 VLAN 单独分配一个生成树实例。这种灵活性使得网络在面对不同的 VLAN 流量模式和安全要求时，能够进行更加精细的管理和优化。例如，对于一个对安全性要求较高的财务 VLAN，可以为其单独设置一个生成树实例，以便更好地控制其数据流向和访问权限。
节省网络资源
- 由于 MSTP 能够有效地利用冗余链路进行负载均衡，相比于简单地阻塞冗余链路的传统方法，它能够更好地发挥网络设备和链路的潜力。这意味着企业在构建和维护网络时，可以在一定程度上减少额外的网络设备和链路的投入，降低网络建设成本。同时，合理的负载均衡也可以减少网络拥塞，延长网络设备的使用寿命，从长期来看，也有助于节省网络维护和升级的成本。