华为交换机MSTP公有生成树协议

Posted 2022-06-27

一、 MSTP协议

MSTP是一个共有的生成树协议，在实际生产环境中得到广泛的应用。

传统的生成树只运行一个实例，且收敛速度慢，RSTP再传统STP基础上通过改进达到了加速网络拓扑收敛的目的，但是依然存在缺陷。由于 STP和RSTP再整个局域网中，所有的VLAN共享一个生成树实例，因此无法实现基于VLAN的负载均衡，网络环境稳定状态下备份链路始终不能转发数据流量，造成带宽的浪费。

MSTP（Multiple Spanning tree Algorithm and protocol）是多生成树技术，允许在一个交换环境中运行多个生成树，每个生成树称为一个实例（instance）。实例时间的生成树彼此独立，如一个实例下的阻塞接口在另一个实例上可能是一个转发端口。和Cisco私有的PVST技术不同，MSTP允许多个vlan运行一个生成树实例，相比较Cisco的PVST技术，这是一个优势，因为在Cisco交换机中，运行PVST技术，是一个实例一棵树，实例越多，生成树越多，交换机维护这些生成树，也是需要消耗硬件资源及网络开销的。大部分情况下，运行多个生成树实例的好处就在于链路的负载分担，但是当只有一条冗余链路时，运行两个生成树实例完全可以实现负载均衡，同时又能节约系统开销。

上图网络环境中存在两个生成树实例，不同实例的根网桥再不同物理交换机上，不但可以实现负载分担，而且不会因为过多的实例而占用系统资源。

MSTP将环路网络修剪成一个无环的树形网络，避免广播风暴的产生，同时还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。MSTP还兼容STP和RSTP。

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。每棵生成树称为一个多生成树实例（Multiple spanning tree instance，MSTI），每个域称为一个MST域。

MSTP通过设置VLAN映射表（即VLAN和MSTI的对应关系表），把VLAN和MSTI联系起来。每个VLAN只能对应一个MSTI，即同一VLAN的数据只能在一个MSTI中传输，而一个MSTI可以对应多和VLAN。如上图所示，instance 1对应vlan 10，instance 2对应vlan 20，S1为MSTI1的根交换机，S2为MSTI2的根交换机，instance 1阻塞S2与S3之间链路，instance 2阻塞S1与S3之间链路，可以充分利用网络带宽，有效避免资源浪费。

二、MSTP的基本原理是什么？

在MSTP中，通过把整个互联的二层网络划分成若干个域。在域内，把其中的vlan分成若干组，每组具有相同的拓扑结构，然后定义若干个MSTI，并把这些生成树实例和不同的vlan映射起来。

所谓实例就是多个vlan的一个集合。通过将多个vlan映射到一个实例，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映射到同一个实例里，这些vlan在接口上的转发状态取决于接口在对应MSTP实例的状态。

如果仅仅是为了防止广播风暴等环路问题，运行CST（CST也是一种生成树协议，关于CST技术自行查阅相关资料，这里不叙述了）已经足够。运行多实例的主要目的在于使其负载分担链路负载。所以运行的生成树实例数量一般取决于冗余线路的数量，如果只有一条冗余链路，那么最好运行两个实例。如果有两条冗余链路，那么运行三个实例将是最好的选择，并尽可能保证每个实例中流量相差不大。

1、 MSTP的网络层次

一个二层交换网络可以划分多个MST域（多生成树域），每个生成树域可以划分多个MSTI，每个实例中可以映射多个vlan。

如上图中的MSTP网络包含3个MST域，分别是A、B、C。每个MST域中包含一个或多个MSTI。MST域B中包含两个MSTI，分别是instance 1和instance 2。instance 1和vlan 1-5映射，instance 2和vlan 6-10映射。

2、 MST域

MST域是多生成树域，由局域网中的多台交换机及他们之间的网段构成。一个局域网可以存在多个MST域，各MST域之间在物理上直接相连。用户可以通过MSTP配置命令把多台交换机划分在同一个MST域内。MST域中的交换机都启用了MSTP，配置了相同的域名及vlan映射表（VLAN映射表是MST域的属性，它描述了VLAN和MSTI之间的映射关系）。

3、MSTI

一个MST域内可以运行多个MSTI，MSTI之间彼此独立，MSTI可以与一个或者多个VLAN对应，但一个VLAN只能与一个MSTI对应。

4、端口角色

MSTP中的端口角色主要有根端口，指定端口 ，预备端口，备份端口和边缘端口。除边缘端口外其他端口角色都参与MSTP的计算过程。同一端口在不同的MSTI中可以担任不同的角色。

根端口：非根交换机上到根交换机开销最小的端口就是该交换机的根端口，根端口能够转发数据流量到根交换机。下图中的P3、P4和P8为根端口。
指定端口：该交换机向下游交换机发送BPDU（一种桥协议数据单元，用来交换网桥ID、根路径成本等信息，用来选举交换机端口角色）或者数据流量的端口。在下图中，P1、P2和P6为指定端口（当S3优先级高于S2时）。
边缘端口：位于网络最边缘处，不参与生成树计算，一般连接非交换机设备，如终端服务器、PC、路由器等。
预备端口：从转发数据流量的角度来看，预备端口提供了到达根交换机的一条备份链路，其接口状态为阻塞，不转发数据流量，当根端口被阻塞时，预备端口将成为新的根端口。在下图中P5为预备端口。
备份端口：当同一台交换机的两个端口互相连接时就存在一个环路（聚合链路除外），此时，交换机就会将其中一个端口阻塞，备份端口就是被阻塞的那个端口。从发送BPDU来看，备份端口就是由于学习到本设备上其他端口发送的BPDU而被阻塞的端口。从转发数据流量来看，备份端口作为指定端口的备份，提供了一条从根交换机到非根交换机的备份链路，在下图中，P7就是备份端口。

5、MSTP的端口状态

Forwarding（转发状态）：在这种状态下，端口即转发用户流量，又接收/发送BPDU报文。
Learning（学习状态）：这是一种过渡状态，在Learning状态下交换机会根据收到的用户流量，学习MAC地址表，但不转发用户流量，所以称为学习状态。Learning状态的端口接收/发送BPDU报文，不转发用户流量。
Discarding（阻塞状态）：在这种状态下，端口只接收BPDU报文。

三、 MSTP的保护功能

在面对一些二层生成树攻~击时，下面四个技术可以增加生成树的安全性。

1、 BPDU保护

在交换机上，通常将直接与用户终端（如PC机）或服务器等非交换机设备相连的端口配置为边缘接口，以实现这些端口的快速收敛，正常情况下，这些端口是不会接收到BPDU。如果有人伪造BPDU恶意攻~击交换机，当这些端口收到BPDU时，交换机会自动将这些端口设置为非边缘端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。
启用BPDU保护功能后，如果接口收到BPDU报文，那么该接口将被自动关闭，从而避免了后续的攻~击及由此带来的网络震荡。

配置命令如下：

[LSW1]stp bpdu-protection            #开启BPDU保护

2、 根保护

由于网络管理人员失误或人为恶意攻 击，网络中的合法交换机端口可能会收到优先级更高的BPDU，这将使目前网络中的根失去根地位，之后将重新计算生成树，引起网络震荡，还有可能将网络流量从高速链路上转移到低俗链路中，造成网络拥塞。为了防止这种情况出现，交换机提供根保护功能。根保护功能通过维持指定端口的角色来保护根交换机的地位。配置了根保护功能的端口，在所有实例上的端口角色都保持为指定端口。当端口接收到优先级更高的BPDU时，端口角色不会变为非指定端口，而是进入侦听状态，不再转发报文。经过足够长的时间，如果端口一直没有再收到优先级较高的BPDU，端口会恢复到原来的正常状态。

配置命令如下：

[LSW1]in g0/0/1               #进入指定端口
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1]stp root-protection   #开启根保护

3、 环路保护

根端口和其他阻塞端口状态会周期性地接收来自上游交换机（在本博文的第三张配图中，R1就是R2和R3的上游交换机，R4就是R2和R3的下游交换机）的BPDU。当链路拥塞或者单向链路故障时，这些端口无法接收来自上游交换机的BPDU，交换机会重新选择根端口。原先的根端口会转变为指定端口，而原先的阻塞端口会迁移到转发状态，从而造成交换网络中可能产生环路。环路保护功能会抑制这种环路产生。在启动了环路保护功能后，如果根端口收不到来自上游的BPDU，根端口会被设置进入阻塞状态；而阻塞端口则会一直保持在阻塞状态，不转发报文，从而不会在网络中形成环路 。

配置命令如下：

[LSW1]in g0/0/1           #进入根端口
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1]stp loop-protection        #启用环路保护功能

4、 TC保护

交换机在接收到TC-BPDU报文后，会执行MAC地址表项和ARP表项的删除操作，如果有人伪造TC-BPDU报文恶意攻~击交换机，交换机短时间内会收到很多TC-BPDU报文，频繁的删除操作会给交换机造成很大的负担，给网络的稳定性带来很大的隐患，启用TC保护功能后，在固定的时间内，MSTP进程处理TC类型BPDU报文的次数可配置。如果在固定的时间内，MSTP进程收到TC类型的BPDU报文数量大于配置的阈值，那么MSTP进程只会处理阈值指定的次数。对于其他超出阈值的TC类型BPDU报文，定时器到期后，MSTP进程对其统一处理一次。这样可以避免频繁地删除MAC地址表项和ARP表项，从而达到保护交换机的目的。

配置命令如下：

[LSW1]stp tc-protection threshold 3             #指定阈值为3。

四、 简单配置MSTP

实验环境：
三台交换机，两天终端PC，交换机开启MSTP协议，区域名称HUAWEI，修订版本级别为1。分别建立MSTI1和MSTI2，VLAN10映射到MSTI1，VLAN20映射到MSTI2，MSTI1的根网桥在S1上，MSTI2的根网桥在S2上。VLAN10中的客户端地址为10.1.10.1，VLAN20中的客户端地址为10.1.20.1。利用MSTP实现VLAN10和VLAN20的互访，并且VLAN10的流量通过路径S3→S1→R1到达网关，VLAN20的流量通过路径S3→S2→R1到达网关。
拓扑图如下：

推荐步骤：

1. 配置客户端和路由器的IP地址
2. 配置VLAN及Trunk
3. 配置MSTP
4. 验证

操作步骤：

1. 配置客户端和路由器的IP地址

R1

[R1]INT G0/0/0           #进入接口
[R1-GigabitEthernet0/0/0]ip add 10.1.10.254 24    #配置IP地址
[R1-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1           #进入接口
[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip add 10.1.20.254 24       #配置IP地址
[R1-GigabitEthernet0/0/1]quit           #保存退出

2. 配置VLAN及Trunk

S1

[S1]vlan batch 10 20          #批量创建vlan
[S1]int g0/0/2                    #进入接口
[S1-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk          #配置为trunk模式
[S1-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan all   #配置承载所以vlan通信
[S1-GigabitEthernet0/0/2]int g0/0/1              #进入接口
[S1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk     #配置为trunk
[S1-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all   #配置承载所有vlan通信
[S1-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/3                 #进入接口
[S1-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid untagged vlan 10      #转发数据移除vlan 10的标识
[S1-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid pvid vlan 10                #配置PVID为vlan 10
[S1-GigabitEthernet0/0/3]quit                 #保存退出

S2

[S2]vlan  batch 10 20
[S2]int g0/0/2
[S2-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk 
[S2-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan all
[S2-GigabitEthernet0/0/2]int g0/0/1
[S2-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
[S2-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all
[S2-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/3
[S2-GigabitEthernet0/0/3]port link-type hybrid 
[S2-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid untagged vlan 20      #转发数据移除vlan 20的标识
[S2-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid pvid vlan 20             #配置PVID为vlan 20
[S2-GigabitEthernet0/0/3]quit

S3

[S3]vlan batch 10 20            #批量创建vlan
[S3]int eth0/0/3                       #进入接口
[S3-Ethernet0/0/3]port link-type access    #接口配置为access模式
[S3-Ethernet0/0/3]port default vlan 10       #vlan 10加入接口
[S3-Ethernet0/0/3]int eth 0/0/4           #进入接口
[S3-Ethernet0/0/4]port link-type access        #接口配置为access模式
[S3-Ethernet0/0/4]port default vlan 20         #vlan 20加入接口
[S3-Ethernet0/0/4] int eth0/0/1               #进入接口
[S3-Ethernet0/0/1]port link-type trunk           #接口配置为trunk模式
[S3-Ethernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all    #承载所以vlan通信
[S3-Ethernet0/0/1]int e0/0/2            #进入接口
[S3-Ethernet0/0/2]port link-type trunk             #接口配置为trunk模式
[S3-Ethernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan all          #承载所有vlan通信
[S3-Ethernet0/0/2]quit            #保存并退出

3. 配置MSTP

S1

[S1]stp mode mstp            #开启生成树（将交换机配置成MSTP模式）
[S1]stp region-configuration      #进入到stp配置模式
[S1-mst-region]region-name HUAWEI    #配置stp域名
[S1-mst-region]revision-level 1           #配置stp版本为1
[S1-mst-region]instance 1 vlan 10      #将vlan 10添加到stp实例1中
[S1-mst-region]instance 2 vlan 20       #将vlan 20添加到stp实例2中
[S1-mst-region]active region-configuration      #激活生成树实例  （必须激活，否则无效）
[S1-mst-region]quit           #保存并退出
[S1]stp instance 1 root primary         #配置为实例1的根网桥
[S1]stp instance 2 root secondary           #配置为实例2的备份根网桥

S2

[S2]stp mode mstp               #开启生成树（将交换机配置成MSTP模式）
[S2]stp region-configuration         #进入到stp配置模式
[S2-mst-region]region-name HUAWEI      #配置stp域名 
[S2-mst-region]revision-level 1            #配置stp版本为1
[S2-mst-region]instance 1 vlan 10         #将vlan 10添加到stp实例1中
[S2-mst-region]instance 2 vlan 20               #将vlan 20添加到stp实例2中
[S2-mst-region]active region-configuration    #激活生成树实例  （必须激活，否则无效）
[S2-mst-region]quit         
[S2]stp instance 1 root secondary           #配置为实例1的备份根网桥
[S2]stp instance 2 root primary                   #配置为实例2的根网桥

S3

[S3]stp mode mstp                 #开启生成树（将交换机配置成MSTP模式）
[S3]stp region-configuration     #进入到stp配置模式
[S3-mst-region]region-name HUAWEI     #配置stp域名
[S3-mst-region]revision-level 1         #配置stp版本为1
[S3-mst-region]instance 1 vlan 10        #将vlan 10添加到stp实例1中
[S3-mst-region]instance 2 vlan 20          #将vlan 20添加到stp实例2中
[S3-mst-region]active region-configuration    #激活生成树实例  （必须激活，否则无效）
[S3-mst-region]quit

4. 验证

验证中可以看出，instance 1中的Ethernet0/0/2和instance 2中的Ethernet0/0/1处于阻塞状态，同时，两个实例之间互相独立，彼此不受影响。