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二层协议-MSTP

发布于 2021-01-18 | 分类于 HCIE面试 | 9分钟 | 2446字数 | 浏览量：


多生成树协议MSTP，协议标准IEEE 802.1s，通过生成多个生成树，来解决以太网环路问题。
BPDU包组播地址：01-80-C2-00-00-00
MSTP的报文是通过802.3（Vlan）承载的。

MSTP出现的背景

  1. RSTP和STP还存在同一个缺陷：由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，链路被阻塞后将不承载任何流量，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发
  2. MSTP兼容STP和RSTP，既可以快速收敛，又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
  3. MSTP把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI，每个域叫做一个MST域

生成树实例是多个VLAN的一个集合。通过将多个VLAN捆绑到一个实例，可以节省通信开销和资源占用率。MSTP各个实例拓扑的计算相互独立，在这些实例上可以实现负载均衡。可以把多个相同拓扑结构的VLAN映射到一个实例里，这些VLAN在端口上的转发状态取决于端口在对应MSTP实例的状态

因此，MSTP的目的有两个：

  1. 形成多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份
  2. 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。

报文格式

MSTP的报文是通过RSTP报文来承载的，因此BPDU Type=02，只不过是多了一个MST扩展，扩展中包含MSTP的内容。
报文格式
无论是域内的MST BPDU还是域间的，前36个字节和RST BPDU相同。从第37个字节开始是MSTP专有字段，最后的MSTI配置信息字段由若干MSTI配置信息组连接而成。

  • Version 3 Length：MSTP的BPDU的长度
  • MST Configuration Identifier：MST配置标识，表示MST域的标签信息，包含4个字段。
  • CIST Internal Root Path Cost：CIST内部路径开销指从本端口到IST Master交换设备的累计路径开销。CIST内部路径开销根据链路带宽计算
  • CIST Bridge Identifier：CIST的指定交换设备ID
  • CIST Remaining Hops：BPDU报文在CIST中的剩余跳数
  • MSTI Configuration Messages：MSTI配置信息。每个MSTI的配置信息占16 bytes，如果有n个MSTI就占用n×16bytes

同一个MST域的条件（重点）⭐️

  1. 都启动了MSTP
  2. 具有相同的域名
  3. 具有相同的VLAN到生成树实例映射配置
  4. 具有相同的MSTP修订级别配置

即MST配置标识必须一致：
MST配置标识

优先级只能是4096的倍数的原因：
RootID = PRI(2B)+背板MAC(6B) = PRI(4bit)+SYSID(12bit，这一块就是VlanID，最大4096)+MAC(6B)
设置优先级时primary代表优先级为0，secondary代表优先级为4096

术语以及之间的关系图谱

图1
图2

  • 多生成树实例MSTI
    所有运行STP/RSTP/MSTP的交换设备经MSTP协议计算后形成的树状网络
  • 多生成树域MST域
    由交换网络中的多台交换设备以及它们之间的网段所构成
  • 公共生成树CST
    连接交换网络内所有MST域的一棵生成树
    如果把每个MST域看作是一个节点，CST就是这些节点通过STP或RSTP协议计算生成的一棵生成树
    如图1所示，黑色线条连接各个域构成CST
  • 内部生成树IST
    各MST域内的一棵生成树
    IST是一个特殊的MSTI，MSTI的ID为0，通常称为MSTI0，IST是CIST在MST域中的一个片段
    如图1所示，深蓝色线条在域中连接该域的所有交换设备构成IST
  • 单生成树SST：两种情况
    1. 运行STP或RSTP的交换设备只能属于一个生成树
    2. MST域中只有一个交换设备，这个交换设备构成单生成树
  • 公共内部生成树CIST：所有MST域的IST+CST
  • 域根，IST域根和MSTI域根
    • IST域根如图1所示，在MST域中IST生成树中距离总根最近的交换设备是IST域根
    • MSTI域根是每个多生成树实例的树根，如图2所示，域中不同的MSTI有各自的域根，一个MST域内可以生成多棵生成树，每棵生成树都称为一个MSTI
  • 总根
    全网中BID最小的为总根
  • 主桥
    域内距离总根最近的交换设备，如图1中的黄色交换机，如果总根在MST域中，则总根为该域的主桥

CIST中的选举过程

  1. 先选举总根
  2. 每个区域需要选举域根。域根是到达总根距离最短的设备，每个区域只能选举一个域根。如果该区域中存在总根，那么总根同时也是该区域的域根
  3. 非总根和域根的设备需要选举一个到达总根距离最短的RP
  4. 每条链路需要选举DP

MSTP拓扑计算

MSTP可以将整个二层网络划分为多个MST域，各个域之间通过计算生成CST。域内则通过计算生成多棵生成树，每棵生成树都被称为是一个多生成树实例。其中实例0被称为IST，其他的多生成树实例为MSTI。MSTP同STP一样，使用配置消息进行生成树的计算，只是配置消息中携带的是设备上MSTP的配置信息。

优先级向量

MSTI和CIST都是根据优先级向量来计算的，这些优先级向量信息都包含在MST BPDU中。各交换设备互相交换MST BPDU来生成MSTI和CIST。
参与CIST计算的优先级向量为：{ 根交换设备ID，外部路径开销，域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID }
参与MSTI计算的优先级向量为：{ 域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID }

比较原则（CIST选举的顺序）（重点）⭐️

确定设备角色和端口角色；同一向量比较，值最小的向量具有最高优先级

  1. 比较CIST的总根的BID，越小越优
  2. 比较CIST中到达总根的ERPC(外部根路径开销)，越小越优
  3. 比较CIST中域根的BID，越小越优
  4. 比较CIST中到达域根的IRPC（内部根路径开销），越小越优
  5. 比较CIST中BPDU包发送者的BID，越小越优
  6. 比较CIST中BPDU包发送者的PORT ID，越小越优
  7. 比较CIST中BPDU包接收者的PORT ID，越小越优

如果端口接收到的BPDU内包含的配置消息优于端口上保存的配置消息，则端口上原来保存的配置消息被新收到的配置消息替代。端口同时更新交换设备保存的全局配置消息。反之，新收到的BPDU被丢弃。

CIST的计算

经过比较配置消息后，在整个网络中选择一个优先级最高的交换设备作为CIST的树根。
在每个MST域内MSTP通过计算生成IST；同时MSTP将每个MST域作为单台交换设备对待，通过计算在MST域间生成CST。
CST和IST构成了整个交换设备网络的CIST。

MSTI的计算

在MST域内，MSTP根据VLAN和生成树实例的映射关系，针对不同的VLAN生成不同的生成树实例。
每棵生成树独立进行计算，计算过程与STP计算生成树的过程类似。

MSTI的特点

  1. 每个MSTI独立计算自己的生成树，互不干扰
  2. 每个MSTI的生成树计算方法与STP基本相同
  3. 每个MSTI的生成树可以有不同的根，不同的拓扑
  4. 每个MSTI在自己的生成树内发送BPDU
  5. 每个MSTI的拓扑通过命令配置决定
  6. 每个端口在不同MSTI上的生成树参数可以不同
  7. 每个端口在不同MSTI上的角色、状态可以不同

在运行MSTP协议的网络中，一个VLAN报文将沿着如下路径进行转发：

  • 在MST域内，沿着其对应的MSTI转发
  • 在MST域间，沿着CST转发

MSTP拓扑变化处理与RSTP拓扑变化处理过程类似

追问

为什么需要使用 MSTP

MSTP 的作用主要是用来负载，可以通过实例进行 VLAN 内流量的负载

  • 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
    • 无需区分用户或业务流量，所有VLAN 共享一棵生成树
  • 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
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