深入解析STP、RSTP与MSTP协议及其应用

STP

生成树（Spanning-Tree Protocol）IEEE Std 802.1D-1998定义，不能快速迁移。即使是在点对点链路或边缘端口，也必须等待2倍的forward delay的时间延迟，网络才能收敛。

802.1d标准中对端口状态的定义有: 

1.监听(listening). 2.学习(learning). 3.堵塞(blocking). 4.转发(forwarding). 5.禁用(disabled).

RSTP

快速生成树协议（rapid spanning Tree Protocol ），即IEEE Std 802.1w 2001定义，可以快速收敛，存在以下缺陷：

局域网内所有网桥共享一棵生成树，不能按VLAN阻塞冗余链路。

802.1w标准中对端口状态的定义有: 

1.丢弃(discarding). 2.堵塞(blocking). 3.转发(forwarding). 

丢弃状态，实际上类似802.1d中监听、学习和禁用状态的集合

MSTP

多生成树协议(Multiple Spanning Tree Protocol)，即IEEE Std 802.1s中第13节描述。

MSTP算法通过应用MSTP、STP或RSTP的桥任意互连的桥接网络，为分配给任一个特定VLAN的帧提供了简单而完备的连通性。MSTP允许不同VLAN的数据从各自的路径分发。各条路径建立在由LAN和MST桥组成的MST域中的各个独立的多生成树实例的基础上。

MSTP 弥补RSTP的缺陷，它允许不同vlan的流量沿各自的路径分发，从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。

STP

1、STP协议为了冗余存在，单纯树型的网络无法提供足够的可靠性，由此引入了额外的链路，这样就出现环路问题，由此STP确保无环路问题。

2、STP为IEEE 802.1D标准协议，并不能实现真正的冗余与负载分担。它内部只有一棵STP tree，因此必然有一条链路要被blocking，不会转发数据，只有另外一条链路出现问题时，这条被blocking的链路才会接替之前链路所承担的职责，做数据的转发。无论怎样，总会有一条链路处于不被使用的状态，冗余是有了，但是负载分担则没有。

3、cisco对STP做了改进，它使得每个VLAN都运行一棵STP TREE，这样第一条链路可以为vlan 1 2 3服务，对vlan 4 5 6 blocking，第二条链路可以为vlan 4 5 6 forwarding，对vlan 1 2 3关闭，无形中实现了链路的冗余，负载分担。这种技术被称之为PVST+

4、随着网络的发展，人们发现传统STP协议无法满足主备快速切换的需求，因为STP协议将端口定义5种状态，分别为：blocking 、listening 、learning、 forwarding、 disabling，想要从blocking切换至forwarding状态，必需要经过50秒周期，这50秒只能被动地去等待。20秒的blocking状态下，如果没有检测到邻居发来的BPDU包，则进入listening，这时要做选举Root Bridge、Designate Port、Root Port，15秒后，进入learning，learning状态下可以学习MAC地址，为最后的forwarding做准备，同样是15秒，最后到达转发状态。如此延时在现代网络环境下代价不可承受。

RSTP

RSTP为802.1w标准

解决了延时的问题，它收敛速度很快，当然CISCO也针对这种技术推出了自已的RPVST+技术。RSTP在STP基础上额外定义了两种port role（注意这里的概念，端口角色），分别是alternate与backup。另外重新规定了port state（端口状态），分别为discarding、Learning、Forwarding.

STP的一大失败之处在于混淆了port role与port state两种概念，在RSTP上，这样的问题不再存在了，port state与port role无关了。alternate port责任是为另一台交换机上的链路作备份，而backup port是为本交换机上的端口作备。

RSTP最重要的变化在于对BPDU中type字段的利用上，之前STP只使用其中两个位

另外6个位中实现了很多的功能，包括不再需要去等待50秒的时间完成主备切换，直接利用proposal与agreement协商即可，大大缩短收敛时间。

RSTP还定义了两个新的概念：edge port与link type，如果是edge port，表明下面接的只能是主机，环路的存在是不可能的，所以可以直接将其从discarding切换到forwarding状态，类似于STP中的port fast技术。而link type定义了这条链路是point-to-point的还是shared。如果有pt-pt环境下，就可以做快速切换。

MSTP

STP和RSTP均采用一棵STP tree，负载分担不可实现，而CISCO的PVST+与RPVST+采用了每个VLAN一棵生成树，尽管实现负载分担，但会占用非常多CPU时间，这也正是MSTP（802.1s）产生原因。

MSTP可以将多个VLAN的生成树映射为一个实例，即vlan map to a instance，不需要那么多的生成树，只需要按照冗余链路的条数来得出需要几棵生成树。

如果只有两条链路，并且有1-1000个VLAN，我们可以将1-500定义为instance 1，将501-1000定义到instance 2。只生成两棵树1和2，同样实现了冗余与负载分担。

MSTP是基于RSTP的，没有RSTP，MSTP是无法运行的。

（思科：PVST+ 与 RPVST+ 模式下：交换机可支持128个STP instance）

（MSTP模式下：交换机可支持65个MST instance，当然每个实例中的VLAN数目是无限的。）