扼杀网络中的环路：STP、RSTP、MSTP

目录

前言：

一、STP（Spanning Tree Protocol）

1.1 STP功能

1.2 STP应用

二、RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）

2.1 RSTP功能

2.2 RSTP应用

三、MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）

3.1 MSTP功能

四、STP、RSTP、MSTP对比

4.1 功能对比

4.2 性能对比

4.3 适用场景对比

小总结

五、STP、RSTP、MSTP配置

5.1 华为设备

STP配置和拓扑

RSTP配置和拓扑

MSTP配置和拓扑

5.2 思科设备

STP配置和拓扑

RSTP配置和拓扑

MSTP配置和拓扑

5.3 Juniper设备

STP配置和拓扑

RSTP配置和拓扑

MSTP配置和拓扑

六、总结

前言：

        在计算机网络中，网络拓扑的稳定性和可靠性是非常重要的。为了解决网络中的环路和冗余路径带来的问题，产生了一系列的网络协议，其中包括STP、RSTP和MSTP。本文将介绍这三种协议的基本概念、工作原理和应用场景。

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一、STP（Spanning Tree Protocol）

        STP（生成树协议）是一种用于构建环路无环的网络拓扑的协议。它通过选择一条主干链路，将其它冗余链路置为阻塞状态，从而避免数据包在网络中产生环路。STP使用一种分布式算法，称为根桥选举算法，来确定主干链路和阻塞链路。当网络中的拓扑变化时，STP会重新计算生成树，确保网络的稳定性。

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生成树协议（STP）是一种用于防止网络环路和提供网络冗余的网络协议。
在一个局域网中，如果存在多条路径连接两个设备，可能会导致广播风暴和MAC地址学习错误。
STP的主要作用是通过建立一棵生成树，禁用环路中的某些链路，以消除环路。

STP的工作原理如下：

  1. 每个网络设备（交换机）都有一个桥优先级（Bridge Priority）和一个桥ID（Bridge ID）。

  2. 每个设备通过发送BPDU（Bridge Protocol Data Unit）消息来与其它设备进行通信。

  3. 每个设备根据接收到的BPDU消息来确定根桥和最短路径。

  4. 设备选择根桥，并将自己的端口设置为根端口或非根端口。

STP适用于较小规模的网络，但它的收敛速度较慢，对网络中的拓扑变化反应不够迅速。

1.1 STP功能

  1. 防止环路：通过计算生成树并禁用环路中的某些链路，STP可以防止环路的形成。

  2. 提供冗余：在生成树中，如果某一链路发生故障，STP会重新计算生成树，并启用替代链路。

  3. 根选举：STP会选举一个根桥（Root Bridge）作为生成树的根节点，以确定生成树的拓扑结构。

1.2 STP应用

  1. 防止广播风暴：STP可以防止广播帧在网络中不断循环，从而避免广播风暴。

  2. 实现网络冗余：STP可以动态地调整生成树，确保在链路故障时网络仍然可用。

  3. 实现多层交换设备互联：STP可以在多层交换设备之间建立生成树，以实现互联。

二、RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）

        为了改善STP的收敛速度和性能，RSTP（快速生成树协议）被引入。RSTP是STP的改进版本，它在保持STP基本原理的同时，引入了一些新的机制来加快网络的收敛速度。

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快速生成树协议（RSTP）是生成树协议（STP）的一种改进，它解决了STP收敛速度慢的问题。
RSTP通过引入新的端口角色和状态，以及快速收敛算法，实现了生成树的快速收敛。

RSTP的主要改进包括：

  • 端口状态的改变：RSTP将端口状态划分为三种：指定（designated）、根（root）和备份（alternate），相比STP的端口状态，RSTP减少了状态切换的次数，从而加快了收敛速度。

  • 快速收敛：RSTP通过减少BPDU的发送间隔和超时时间来加快收敛速度。当网络拓扑发生变化时，RSTP可以更快地重新计算生成树。

  • 持续监听：RSTP通过定期发送BPDU消息来持续监听网络状态。当RSTP设备在一定时间内没有收到BPDU消息时，它会假设网络中的链路出现故障，并快速重新计算生成树，以确保网络的稳定性。

RSTP相对于STP来说，具有更快的收敛速度和更好的性能。它适用于中等规模的网络，并能够更好地适应网络拓扑的变化。

2.1 RSTP功能

  1. 快速收敛：RSTP通过新的收敛算法实现了生成树的快速收敛。

  2. 向后兼容STP：RSTP与STP协议兼容，可以在STP和RSTP混合的网络环境中工作。

2.2 RSTP应用

  1. 提高生成树收敛速度：RSTP使得生成树在链路故障或网络拓扑变化时能够更快地收敛，减少了网络不可用的时间。

  2. 实现网络冗余和环路防护：与STP相同，RSTP可以防止环路的形成，并提供网络冗余。

三、MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）

        在一些大规模的网络中，需要同时支持多个VLAN（虚拟局域网），而STP和RSTP只能为整个网络构建一个生成树。为了解决这个问题，MSTP（多生成树协议）被引入。MSTP允许在一个网络中为每个VLAN构建独立的生成树，从而提供更好的灵活性和可伸缩性。

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多生成树协议（MSTP）是一种进一步优化生成树协议的方法，
它允许在一个网络中创建多个生成树实例，每个实例负责不同的VLAN。
这样，可以实现更好的负载均衡和资源利用。

MSTP的主要特点包括：

  • 实例化：MSTP将网络分为多个实例，每个实例对应一个或多个VLAN。这样，可以为每个实例构建独立的生成树。

  • 区域：MSTP将网络划分为多个区域，每个区域可以有独立的根桥和生成树。这样，可以减少生成树计算的复杂度，并提高网络的可扩展性。

  • VLAN到实例的映射：MSTP通过将VLAN映射到相应的实例，使得每个VLAN都可以有自己的生成树。

MSTP在大规模网络中具有很好的适应性和可伸缩性。它可以更灵活地配置和管理生成树，以满足不同VLAN和区域的需求。

3.1 MSTP功能

  1. 多生成树实例：MSTP允许在一个网络中创建多个生成树实例，每个实例负责不同的VLAN。

  2. 负载均衡：通过将不同的VLAN分配到不同的生成树实例，MSTP可以实现链路资源的负载均衡。

  3. 向后兼容RSTP和STP：MSTP与RSTP和STP协议兼容，可以在混合的网络环境中工作。

四、STP、RSTP、MSTP对比

4.1 功能对比

下表对比了STP、RSTP和MSTP在功能方面的特点：

功能STPRSTPMSTP
环路消除是是是
快速收敛否是是
支持多VLAN否否是
拓扑可扩展适用于小规模网络适用于中等规模网络适用于大规模网络和多VLAN环境

4.2 性能对比

下表对比了STP、RSTP和MSTP在性能方面的特点：

性能STPRSTPMSTP
收敛速度慢快快
状态切换频繁较少适中
配置复杂度低低较高
可伸缩性适用于小规模网络适用于中等规模网络和小规模多VLAN网络适用于大规模网络和多VLAN环境
网络规模较小中等大

4.3 适用场景对比

下表对比了STP、RSTP和MSTP在适用场景方面的特点：

适用场景STPRSTPMSTP
小型网络是是是
中等规模网络否是是
大规模网络和多VLAN环境否否是
需要快速收敛的环境否是是
需要灵活配置不同生成树的环境否否是

小总结

  • STP适用于小型网络，它具备环路消除的功能，但收敛速度较慢。

  • RSTP适用于中等规模网络，具有快速收敛和较少的状态切换。它是对STP的改进版本，提供了更好的性能和响应速度。

  • MSTP适用于大规模网络和多VLAN环境，具备快速收敛和拓扑可扩展性。它允许为每个VLAN构建独立的生成树，提供了更大的灵活性和可伸缩性。

五、STP、RSTP、MSTP配置

华为、思科和Juniper是全球领先的网络设备供应商，它们提供了各种网络设备和解决方案，包括交换机、路由器等。在这些设备中，STP（生成树协议）、RSTP（快速生成树协议）和MSTP（多生成树协议）被广泛应用于构建稳定、可靠的网络拓扑。下面将详细介绍在华为设备、思科设备和Juniper设备上配置和使用STP、RSTP和MSTP的方法和拓扑结构。

5.1 华为设备

华为设备使用Spanning Tree Protocol (STP)、Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)和Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)来实现生成树功能。

STP配置和拓扑

在华为设备上配置STP，可以使用以下命令：

<Huawei> system-view
[Huawei] stp mode stp
[Huawei] stp enable

为了优化拓扑结构，可以通过以下命令调整STP的优先级：

[Huawei] stp priority <priority>

华为设备的STP拓扑结构如下：

图片

RSTP配置和拓扑

在华为设备上配置RSTP，可以使用以下命令：

<Huawei> system-view
[Huawei] stp mode rstp
[Huawei] stp enable

为了优化拓扑结构，可以通过以下命令调整RSTP的优先级：

[Huawei] stp priority <priority>

华为设备的RSTP拓扑结构与STP相同。

MSTP配置和拓扑

在华为设备上配置MSTP，可以使用以下命令：

<Huawei> system-view
[Huawei] stp mode mstp
[Huawei] stp region-configuration
[Huawei-mstp] revision-level <revision-level>
[Huawei-mstp] instance <instance-id> vlan <vlan-id>
[Huawei-mstp-instance] active
[Huawei-mstp-instance] exit
[Huawei] stp enable

为了优化拓扑结构，可以通过以下命令调整MSTP的优先级：

[Huawei-mstp] instance <instance-id> priority <priority>

华为设备的MSTP拓扑结构如下：

图片

5.2 思科设备

思科设备使用Spanning Tree Protocol (STP)、Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)和Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)来实现生成树功能。

STP配置和拓扑

在思科设备上配置STP，可以使用以下命令：

Switch(config)# spanning-tree mode stp
Switch(config)# spanning-tree vlan <vlan-id> root primary

思科设备的STP拓扑结构如下：

图片

RSTP配置和拓扑

在思科设备上配置RSTP，可以使用以下命令：

Switch(config)# spanning-tree mode rapid-pvst
Switch(config)# spanning-tree vlan <vlan-id> root primary

思科设备的RSTP拓扑结构与STP相同。

MSTP配置和拓扑

在思科设备上配置MSTP，可以使用以下命令：

Switch(config)# spanning-tree mode mst
Switch(config)# spanning-tree mst configuration
Switch(config-mst)# revision <revision-level>
Switch(config-mst)# instance <instance-id> vlan <vlan-id>
Switch(config-mst)# spanning-tree instance <instance-id> root primary

思科设备的MSTP拓扑结构如下：

图片

5.3 Juniper设备

Juniper设备使用Spanning Tree Protocol (STP)、Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)和Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)来实现生成树功能。

STP配置和拓扑

在Juniper设备上配置STP，可以使用以下命令：

[edit protocols]
user@juniper# set spanning-tree protocol-version stp

Juniper设备的STP拓扑结构如下：

图片

RSTP配置和拓扑

在Juniper设备上配置RSTP，可以使用以下命令：

[edit protocols]
user@juniper# set spanning-tree protocol-version rstp

Juniper设备的RSTP拓扑结构与STP相同。

MSTP配置和拓扑

在Juniper设备上配置MSTP，可以使用以下命令：

[edit protocols]
user@juniper# set spanning-tree protocol-version mstp
[edit protocols mstp]
user@juniper# set instance <instance-id> vlan <vlan-id>
user@juniper# set instance <instance-id> priority <priority>

Juniper设备的MSTP拓扑结构如下：

图片

  • 在华为设备上，可以使用stp mode命令配置STP、RSTP和MSTP，通过调整优先级设置拓扑结构。

  • 在思科设备上，可以使用spanning-tree mode命令配置STP、RSTP和MSTP，通过设置根桥优先级调整拓扑结构。

  • 在Juniper设备上，可以使用spanning-tree protocol-version命令配置STP、RSTP和MSTP，通过设置实例和优先级调整拓扑结构。

六、总结

        STP、RSTP和MSTP是在计算机网络中用于构建稳定、可靠拓扑的协议。STP是最早的生成树协议，它通过选举根桥和设置端口状态来构建环路无环的网络。RSTP是对STP的改进版本，它通过减少状态切换次数和加快收敛速度来提高性能。MSTP则在大规模网络中支持多个VLAN，允许为每个VLAN构建独立的生成树，提供更好的灵活性和可伸缩性。

        根据网络规模和需求，选择适合的生成树协议是非常重要的。STP适用于较小规模的网络，RSTP适用于中等规模的网络，而MSTP适用于大规模网络和多VLAN环境。了解这些协议的原理和特点，可以帮助开发人员设计和配置网络拓扑，以实现稳定性、可靠性和性能的平衡。

        总之，STP、RSTP和MSTP是网络中常用的生成树协议，它们在构建稳定、可靠的拓扑结构方面发挥着重要作用。随着网络规模的增长和需求的变化，选择合适的协议对于确保网络的正常运行至关重要。开发人员应该根据网络规模、拓扑结构和功能要求来选择合适的生成树协议，并合理配置和管理网络，以实现高效、可靠的数据传输和通信。

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