探讨思科生成树协议与华为的技术

　　引言

　　生成树协议是一个用于在局域网中消除环路的协议。运行该协议的交换机通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并适当对某些端口进行阻塞以消除环路。由于局域网规模的不断增长，网络中的冗余链路和设备也随之增加，生成树已经成为了当前最重要的局域网协议之一。华为、思科在路由器和运营商级以太网交换机领域占据主导地位，不可避免的会在同一个局域和中会同时存在着这两家的设备，为了局域网能够高效稳定的状态，需要对这两家企业的生成树协议进行探讨以实现网络的正常运行。

　　1华为生成树协议简介

　　华为交换机支持IEEE标准STP协议，生成树协议包括STP，能够快速收敛的的RSTP，以及适应多VLAN复杂环境的MSTP [1]。

　　1.1 STP

　　STP协议采用协议报文BPDU来交互协议信息，有选择地对某些端口进行阻塞，最终将环路剪成无环的网络结构。

　　1.2 RSTP

　　RSTP是为了解决STP收敛速度问题而提出来的。RSTP的IEEE标准为802.1w，消除环路的基本思想与STP保持一致。RSTP具备STP所有功能，只在一些细节上做了改进。但这些改进相当关键，极大的提升了STP的性能，使其能满足如今低延时高可靠性的网络要求[2]。

　　1.3 MSTP

　　MSTP使不同VLAN的流量沿各自的路径转发，利于冗余链路的负载分担机制。

　　2思科生成树协议简介

　　思科交换机所支持的生成树协议类型分别有：PVST、PVST+、Rapid-PVST+和MST。

　　2.1 PVST

　　PVST协议是在每一个VLAN上运行一个普通的STP协议，每个VLAN生成树(PVST)为每个在网络中配置的VLAN维护一个生成树实例。PVST协议并不兼容STP/RSTP协议[3]。

　　2.2 PVST+

　　为解决与IEEE标准STP协议的互通问题，思科在PVST协议的基础上衍生出了PVST+协议。PVST+协议相对于PVST协议最大的改进是：提供了与标准STP协议互通的能力。

　　2.3 Rapid-PVST+

　　PVST+存在着与STP类似缺陷，收敛速度慢。于是在PVST+协议的基础上衍生出了Rapid-PVST+协议，与RSTP类似，Rapid-PVST+协议采用了RSTP的机制，支持端口快速迁移特性[4]。

　　2.4 MST

　　MST是基于实例的。

　　3华为生成树协议分析

　　3.1 STP

　　华为交换机支持IEEE标准STP协议，端口发出STP报文与IEEE标准一样用以和支持IEEE标准STP的设备互通。

　　初始生成树的过程：

　　(1) 初始的时候，每一个网桥都认为自己是网络中的根桥，将向外发出以自己为根桥的配置BPDU，BPDU会按照Hello Time指定的时间(默认的时间为2秒)间隔来发送。一旦在某端口上收听到比自己发的还要“好”的BPDU，那么这个端口就提取该BPDU中的某些信息，更新自己的信息。更新后Root BID字段的是当前网桥所认为的根桥的BID。

　　(2) 根端口是选择距离根桥最近的端口，这个最近的衡量是靠累计根路径开销最小的端口就应该是根端口。如果有多个端口得到的累计根路径开销相等，选择收到指定桥最小的那个端口作为根端口。

　　(3) 指定端口的选择需要比较端口发送的配置BPDU和接收的配置BPDU，如果发送的配置BPDU优于接受到的配置BPDU，表明端口在该链路上拥有最优的配置BPDU,这该端口为指定端口。

　　(4) Alternate端口的确定是端口接收的配置BPDU优于端口的配置BPDU，且端口不是根端口。进入Blocking状态[2]。

　　STP中的拓扑变更：

　　当发生网桥故障、链路终端、新网桥的加入等事件时，网络拓扑会发生变化，网桥感知拓扑发生变化，就会产生TCN BPDU并从根端口发出，直至根网桥收到TCN BPDU。根网桥在得知变化后在下一个要发送的配置BPDU的TCA置位作为对TCN的确认，还会在TC位置位，用于通知整个网络中的所有网桥网络拓扑发生变化。在之后的Max Age+Forward Delay内，网桥收到置位的配置BPDU后，将自身MAC地址老化时间由300s缩短为Forward Delay。

　　优势与不足：

　　STP通过阻塞端口来剪切环路，在链路中断时又可以通过冗余链路恢复网络连通性。极大的保障网络连通性。但在拓扑发生变化时拓扑收敛速度太慢，在一个频繁变动的网络中某些端口一直在阻塞状态使网络中断状态。STP通过阻塞端口，无法让冗余链路起到负载分担的作用。

　　3.2 RSTP

　　RSTP是STP改进版本，用于网络拓扑变化是更快的收敛。

　　快速生成树从三个方面实现“快速”功能[1]：

　　(1) 新的根端口从阻塞到转发：当旧的根端口进入阻塞状态，且此时新的根端口连接的对端网桥指定端口正处于转发状态，新的根端口就可以无延时的进入转发状态。

　　(2) 非边缘指定端口从阻塞到转发：指定端口向下游发送一个握手请求报文，如果下游的网桥响应了一个赞同报文，则这个指定端口就可以无延时的进入转发状态。

　　(3) 边缘端口从阻塞到转发：边缘端口连接的是终端，这些端口的状态并不影响整个网络的连通，不会产生临时环路。这些端口可以直接进入转发状态[1]。

　　拓扑结构变化：

　　RSTP判断拓扑结构变化的标准是：非边缘端口进入Forwarding状态。拓扑发生变化采取措施：在两倍的Hello Time内向本交换机的所有非边缘指定端口发送一个TC置位的RST BPDU清空这些端口上学来的MAC地址;其他交换机接收到TC BPDU，重复上述的过程(所有端口学到的MAC地址清空除收到TC BPDU的端口以外)。如此，网络中就会产生TC BPDU的泛洪来最快通知各网桥网络拓扑发生变化。

　　优势与不足：

　　RSTP在网络拓扑变动时拓扑收敛速度极快。极大的保障网络连通性。RSTP通过阻塞端口，无法让冗余链路起到负载分担的作用。

　　3.3 MSTP

　　MSTP在RSTP基础上改进，解决数据分流和链路负载均衡。

　　MSTP协议引入了域和内部路径开销等参数，在计算生成树时使用的算法和原理与STP/RSTP类似，MSTP中的优先级向量是7维(CIST根标识符，CIST外部根路径开销，CIST指定桥标识符，CIST域根标识符，CIST内部根路径开销，CIST指定端口标识符，CIST接收端口标识符)[6]。

　　拓扑收敛在CST上，每个域参与整体的拓扑收敛是以Master Bridge为代表，根据其ERPC来计算的。在域的内部上，ISTP算法(RSTP的改进)负责计算IST的拓扑。ISTP算法可以说是连接CST和MST的纽带。ISTP采用特殊的BPDU，由Master Bridge产生，携带CST信息并且封装了MSTP。快速收敛的机制略有差异：MSTP网桥上游发起协商机制proposal，下游回应agreement，然后上游还要再发个agreement，要三次握手。然后两个端口才能进入转发状态。

　　优势与不足：

　　MSTP在网络拓扑变动时拓扑收敛速度极快。极大的保障网络连通性。RSTP通过阻塞实例端口，让冗余链路起到数据分流和负载分担的作用。

　　4 思科生成树协议分析

　　4.1 PVST/PVST+

　　PVST协议在每一个VLAN上运行一个普通的STP协议，是思科私有的协议，PVST+为解决与IEEE标准STP协议的互通问题，思科在PVST协议的基础上衍生出了增强型PVST协议。

　　如图1，网络中存在vlan5，vlan10，SW1和SW3存在valn5、vlan10，SW2存在vlan5，SW4存在vlan10，交换机端口类型为trunk，允许所有vlan通过，运行PVST。

　　通过实验，当交换机发现vlan5拓扑变更的时候，交换机对vlan5进行pvst的拓扑变更计算，计算方式与STP拓扑变更收敛方式一样，直至拓扑收敛完毕，此时vlan10上面的端口依然是转发状态，由于PVST+基于vlan的端口阻塞，vlan5拓扑变更不影响vlan10的正常数据转发，只有vlan10上面的端口状态发生改变vlan10才会进行拓扑变更计算。

　　优势与不足：

　　PVST/PVST+通过阻塞VLAN端口来剪切环路，冗余链路起到数据分流和负载分担的作用。极大的保障网络连通性。但在拓扑发生变化时拓扑收敛速度太慢，在一个频繁变动的网络中某些端口一直在阻塞状态使网络中断状态。当VLAN数过多时，交换机将处理大量BPDU报文增加了网络的负担。

　　4.2 Rapid-PVST+

　　在PVST+协议的基础上衍生出了Rapid-PVST+协议，Rapid-PVST+协议相对于PVST+协议，采用了RSTP的机制，支持快速迁移特性[4]。

　　如图2，网络中存在vlan5，vlan10，SW1和SW3存在valn5、vlan10，SW2存在vlan5，SW4存在vlan10，交换机端口类型为trunk，允许所有vlan通过，pc1通过vlan5通信，运行Rapid-PVST+，Vlan5根桥为SW1，SW2与PC1相连端口配置边缘端口。

　　通过实验，SW1与SW2间链路中断时，交换机对vlan5进行pvst的拓扑变更计算，计算方式域STP拓扑变更收敛方式一样，直至拓扑收敛完毕，此时SW2与PC1相连端口还是转发状态，SW2与SW3间迅速进入转发状态，vlan10上面的端口依然是转发状态，由于Rapid-PVST+基于vlan的端口阻塞，vlan5拓扑变更不影响vlan10的正常数据转发，只有vlan10上面的端口状态发生改变vlan10才会进行拓扑变更计算。

　　优势与不足：

　　Rapid-PVST+通过阻塞VLAN端口来剪切环路，冗余链路起到负载分担的作用。在拓扑发生变化时拓扑收敛速度快保证网络稳定性。当VLAN数过多时，交换机将处理大量BPDU报文增加了网络的负担。

　　4.3 MST

　　MST是基于实例的，可以把多个相同拓扑结构的VLAN映射到一个实例里，这些VLAN在端口上转发状态将取决于对应实例在MST里的状态。

　　优势与不足：

　　MST在网络拓扑变动时拓扑收敛速度极快。极大的保障网络连通性。RSTP通过阻塞实例端口，让冗余链路起到数据分流和负载分担的作用。

　　5 结束语

　　目前，在同一个网络中经常会同时存在思科与华为设备。由于是属于不同的公司产品，他们的网络设备存在自己独有理解和规定，就像对生成树协议的规定与配置规则方法，存在着差异。对这两家公司的生成树协议进行探讨，了解其工作原理，分析两者的异同处，就可以实现两者设备之间的连接，实现网络的高效稳定的运行。

　　参考文献：

　　[1] 杭州华三通信技术有限公司.路由交换技术 第1卷(下册) [M].北京：清华大学出版社，2011.50-62.

　　[2] 杭州华三通信技术有限公司.路由交换技术 第2卷[M].北京：清华大学出版社，2012.78-137.

　　[3] [美] Cisco Configuration Example to Migrate the Spanning Tree from PVST+ to MST[EB/OL].http://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/switches/catalyst-6500-series-switches/72844-MST.pdf，2006-09.

　　[4] [美] Spanning Tree PortFast BPDU Guard[EB/OL].http://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/lan-switching/spanning-tree-protocol/10586-65.pdf，2005-11.

　　[5] [美]WAYNE LEWIS.思科网络技术学院教程 CCNA 3交换基础与中级路由[M].北京：人民邮电出版社，2008.56-103.

　　[6] 刘静编.路由与交换技术[M].北京：清华大学出版社，2013.1-199.