生成树技术：MSTP协议基础知识

MSTP概述

RSTP虽然在STP的基础上进行了一定程度的优化，但是依然与STP一样存在一个较大的短板，那就是当它们都被部署在交换网络中时，所有的VLAN共用一颗生成树。这个短板将使得网络中的流量无法再所有可能链路上实现负载分担，导致链路带宽利用率、设备资源利用率较低。

Cisco的私有生成树协议PVST(Per-VLAN Spanning Tree)，它基于每个VLAN进行生成树的计算。这种技术的优点是实现了负载分担。但是这种技术也有缺点。如果网络中VLAN的数量特别大，那么所有的交换机将不得不为每个VLAN都计算一颗生成树，那么设备的资源消耗将变得非常大，为了进行大规模的生成树计算，设备将变得不堪重负，甚至有可能影响到正常业务流量的处理。

IEEE发布的802.1s标准解决了上述问题，它定义了一种新的生成树协议——MSTP(Multiple Instance Spanning Tree Protocol，多实例生成树协议)，MSTP能够兼容STP及RSTP，在该协议中，生成树不是基于VLAN运行的，而是基于Instance(实例)运行的。所谓Intance，也即一个或多个VLAN的集合。

将一个或多个VLAN映射到一个Instance，然后MSTP基于该Instance计算生成树。映射到同一个Instance的VLAN将共享同一颗生成树。

同时，MSTP引入了域(region)的概念(类似于OSPF的area)。可以将一个交换网络分成多个MST域(Multiple Spanning Tree Region，多生成树域)，一个MST域内可以包含一台或多台交换机。（在实际应用中，一般还是没有划分多个域，即网络中的交换机都属于同一个域，就像OSPF的应用，实际很多场景都只有一个骨干区域，这样做，无他，纯属简化网络）

STP、RSTP、MSTP的比较：
协议名称标准特点****应用场景STP802.1D形成一颗无环路的树，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共享一颗生成树RST802.1W形成一颗无环路的树，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共享一颗生成树MSTP802.1S形成多颗无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。收敛速度快需要区分用户或业务流量，并形成负载分担。不同的VLAN通过不同的生成树转发流量，每颗生成树之间相互独立。

相关术语

在MSTP中，引入了比较多的术语（毕竟引入了域的概念），初次学习这些术语时，可能会觉得比较懵。。。

MST域(MST Region)

MSTP网络中包含1个或多个MST域（MST Region），每个MST Region中包含一个或多个MSTI。如下图所示，网络中包含4个域

属于同一个MST域的交换机必须(1)配置相同的域名(Region name)、相同的修订级别(Revison level)，以及相同的VLAN与Instance的映射关系。

比如下图中，MST Region 4中由交换设备A、B、C和D构成，域中有3个MSTI。

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。比如上图中，VLAN1映射到MSTI1、VLAN2映射到MSTI2、其他的VLAN映射到MSTI3。

CST(Common Spanning Tree，公共生成树)

公共生成树CST（Common Spanning Tree）是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。

比如下图中，红色框起来的就是组成CST的各条链路，而图中黑色链路加上红点的三条链路就是通过STP或RSTP协议计算生成的树，这颗树就是CST。组成CST剩下的一条链路的的一端端口被阻塞了。

IST(Internal Spanning Tree，内部生成树)

内部生成树IST是各MST域内ID为0的生成树，即MSTI0。

我们从前面可以知道，一个VLAN只能对应一个实例。但是一个实例可以对应一组VLAN。这都需要人工配置，在默认情况下，所有的VLAN都属于实例0，即MSTI0。当一个VLAN映射到其他实例后，该VLAN就从MSTI0中删除了。

CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树)

公共和内部生成树CIST（Common and Internal Spanning Tree）是通过STP或RSTP协 议计算生成的，连接一个交换网络内所有交换设备的单生成树。

CIST是由CST和IST构成的。

SST(Single Spanning Tree，单生成树)

构成SST的两种情况：

• 运行STP或RSTP的交换设备只能属于一个生成树。
• MST域中只有一个交换设备，这个交换设备构成单生成树。

总根(Common Root, CIST Root)

总根是CIST的根桥。选举原则还是最低桥ID原则(网络中桥ID最小的交换机成为总根)。

比如下图中，S1就是这片网络的总根。

域根(Regional Root)

域根（Regional Root）：MST域内IST和MSTI的根桥。在域中各实例有各自的域根。可以不是一个桥。

IST域根如下图所示，在MST域中IST生成树中距离总根（CIST Root）最近的交换设 备是IST域根（即标黄的交换机）。

如下图所示，在Region4中总共有3个实例，分别是MSTI1、MSTI2、MSTI3。而这三个实例的域根分别是A、B、C

主桥(Master Bridge)

主桥(Master Bridge)或者称CIST域根桥，是域内距离总根最近的交换设备，也就是IST域根，即下图中的黄色交换机。

端口角色

相对于RSTP，MSTP新增了两种端口角色：Master端口、域边缘端口。因此，MSTP总共有7种端口角色：根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口、边缘端口、Master端口、域边缘端口。

• Master端口：位于整个域到总根的最短路径上，是连接域到总根的端口，是域中的报文去往总根的必经之路。

如图所示，交换设备S1、S2、S3、S4和它们之间的链路构成一个MST域，S1交换设备的端口AP1在域内的所有端口中到总根的路径开销最小，所以AP1为Master端口。

• 域边缘端口：域边缘端口是指位于MST域的边缘并连接其它MST域或SST的端口。如上图所示，MST域内的AP1、DP1和DP2都和其它域直接相连，它们都是本MST域的域边缘端口。

端口角色总结：
端口角色说明根端口在非根桥上，离根桥最近的端口是本交换机设备的根端口。根桥没有根端口指定端口对一台设备而言，它的指定端口是向下游交换设备转发BPDU报文的端口。一般来说，根桥的所有端口都是指定端口Alternate 端口从配置BPDU报文发送角度来看，Alternate端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。它是根端口的备份。Backup 端口从配置BPDU报文发送角度来看，Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。它是指定端口的备份。（一般来说，除非人为构造，实际该类型端口很少见）Master端口Master端口是MST域和总根相连的所有路径中最短路径上的端口，它是 交换设备上连接MST域到总根的端口。 Master端口是域中的报文去往总根的必经之路。 Master端口是特殊域边缘端口，Master端口在CIST上的角色是Root Port，在其它各实例上的角色都是Master端口。域边缘端 口域边缘端口是指位于MST域的边缘并连接其它MST域或SST的端口。边缘端口如果指定端口位于整个域的边缘，不再与任何交换设备连接，这种端口 叫做边缘端口。 边缘端口一般与用户终端设备直接连接。

端口状态

MSTP定义的端口状态与RSTP协议中定义相同。
STP端口状态M/RSTP端口状态端口状态对应的行为DisabledDiscarding不转发用户流量也不学习MAC地址BlockingListeningLearningLearning不转发用户流量但学习MAC地址ForwardingForwarding既转发用户流量也学习MAC地址

MSTP报文

MSTP使用多生成树桥协议数据单元MST BPDU（Multiple Spanning Tree Bridge Protocol Data Unit）作为生成树计算的依据。MST BPDU报文用来计算生成树的拓扑、维护网络拓扑以及传达拓扑变化记录。

STP、RSTP、MSTP各BPDU的比较：
协议版本BPDU类型BPDU名称00x00配置BPDU00x80TCN BPDU20x02RST BPDU30x02MST BPDU
MSTP的报文格式如下。从下面可以知道，前36个字节和RST BPDU相同。从第37个字节开始时MSTP转有字段。

+--------------------------------+
|              DMAC              |
+--------------------------------+
|              SMAC              |
+--------------------------------+
|            Length              |
+--------------------------------+
|           LLC header           |
+--------------------------------+-----------------------
|       Protocol Identifier      |                ^
+--------------------------------+                |
|  Protocol Version Identifier   |                |
+--------------------------------+                |
|           BPDU Type            |                |
+--------------------------------+                |
|              Flags             |                |
+--------------------------------+                |
|          Root Identifier       |                |
+--------------------------------+                |
|          Root Path Cost        |                |
+--------------------------------+                |
|       Bridge Identifier        |                |
+--------------------------------+                |
|        Port Identifier         |                |
+--------------------------------+                |
|           Message Age          |                |
+--------------------------------+               BPDU
|            Max Age             |              payload
+--------------------------------+                |
|          Hello Time            |                |
+--------------------------------+                |
|        Forward Delay           |                |
+--------------------------------+----------      |
|       Version 1 Length         |    RSTP/MSTP   |
|                                |    Extension   |
+--------------------------------+----------      |
|       Version 3 Length         |     ^          |
+--------------------------------+     |          |
| MST Config ID Format Selector |      |          |
+--------------------------------+     |          |
|        MST Config Name        |      |          |
+--------------------------------+     |          |
|     MST Config reversion      |      |          |
+--------------------------------+     |          |
|       MST Config Digest       |      MSTP       |
+--------------------------------+   Extension    |
|  CIST Internal Root Path Cost  |     |          |
+--------------------------------+     |          |
|     CIST Bridge Identifier     |     |          |
+--------------------------------+     |          |
|      CIST Remaining Hops       |     |          |
+--------------------------------+     |          |
|   MSTI configuration Messages  |     |          |
|         (may be absent)        |     V          V
+--------------------------------+-----------------------
|               FCS              |
+--------------------------------+

字段说明：
字段长度(单位：字节)说明DMAC6目的MAC地址，该字段标识帧的接收者。SMAC6源MAC地址，该字段标识帧的发送者。Length2指后续数据的字节长度，但不包括FCS字段。Protocol Identifier2协议ID＝“0”。Protocol Version Identifier1协议版本标识符，STP为0x00，RSTP为0x02，MSTP为0x03。BPDU Type1BPDU类型：
(1)0x00：STP的Configuration BPDU
(2)0x80：STP的TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU）
(3)0x02：RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU）或者MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）Flags1标记域。对于STP：第一个bit（左边、高位bit）表示“TCA（拓扑改变响应）”，最后一个bit（右边、低位bit）表示“TC（拓扑改变）”，其他字段预留。
对于RSTP和MSTP：
Bit7：TCA (Topology Change Acknowledgement)
Bit6：Agreement
Bit5：Forwarding
Bit4：Learning
Bit3和Bit2：端口角色。
00：未知；
01(低位为1高位为0)：Alternate / Backup；
10(低位为0高位为1)：根端口；
11：指定端口
Bit1：Proposal
Bit0：TC (Topology Change)Root Identifier8网桥ID都是8个字节——前两个字节是网桥优先级，后6个字节是网桥MAC地址。对于MSTP，是指CIST的总根交换机ID。Root Path Cost4根路径开销，本端口累计到根桥的开销。对于MSTP，是指CIST外部路径开销指从本交换机所属的MST域到CIST根交换机的累计路径开销。CIST外部路径开销根据链路带宽计算。Bridge Identifier8发送者BID，本交换机的Bridge ID。对于MSTP，是指CIST的域根交换机ID，即IST Master的ID。如果总根在这个域内，那么域根交换机ID就是总根交换机ID。Port Identifier2发送端口PID，发送该BPDU的端口ID。对于MSTP，是指本端口在IST中的指定端口ID。Message Age2该BPDU的消息年龄，以秒为单位。Max Age2消息老化年龄，以秒为单位，超时则认为到根交换机的链路故障。Hello Time2发送两个相邻BPDU间的时间间隔，以秒为单位。Forward Delay2控制Listening和Learning状态的持续时间，以秒为单位。Version 1 Length1Version1 BPDU的长度，值固定为0。只在RSTP和MSTP的BPDU中出现，STP的BPDU没有此字段。Version 3 Length2Version3 BPDU的长度，只在MSTP的BPDU中出现。MST Config ID Format Selector1固定为0。MST Config Name32“域名”，字符串格式。MST Config reversion2修订级别，非负整数。MST Config Digest16利用HMAC-MD5算法将域中VLAN和实例的映射关系加密成16字节的摘要。CIST Internal Root Path Cost4CIST内部路径开销，指从本端口到IST Master交换机的累计路径开销，只在MSTP的BPDU中出现。CIST内部路径开销根据链路带宽计算。CIST Bridge Identifier8CIST的指定交换机ID，只在MSTP的BPDU中出现。CIST Remaining Hops1BPDU报文在CIST中的剩余跳数，只在MSTP的BPDU中出现。MSTI Configuration Messages (may be absent)n×16字节MSTI配置信息，只在MSTP的BPDU中出现。每个MSTI的配置信息占16 bytes，如果有n个MSTI就占用n×16bytes。单个MSTI Configuration Messages的字段说明如下：
MSTI Flags(1字节)：MSTI标志。
MSTI Regional Root Identifier(8字节)：MSTI域根交换机ID。
MSTI Bridge Priority(1字节)：本交换机在MSTI中的指定交换机的优先级。
MSTI Remaining Hops(1字节)：BPDU报文在MSTI中的剩余跳数。FCS4帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。
FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。
我们之前说过，属于同一个MST域的交换机必须(1)配置相同的域名(Region name)、相同的修订级别(Revison level)，以及相同的VLAN与Instance的映射关系。对应MSTP的报文是指的MST Config ID Format Selector、MST Config Name、MST Config reversion、MST Config Digest4个字段的值要要完全一样，才是属于同一个域。

MSTP的拓扑计算

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。

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 }

括号中的向量的优先级从左到右依次递减。

参考文献：

1、《HCNP路由交换学习指南》

2、华为 S7700 V200R019C10 配置指南-以太网交换

3、STP/RSTP/MSTP帧 - IP报文格式大全(html) - 华为 (huawei.com)