為什么需要802.1d
二層數據網(wǎng)的自愈需求由來(lái)已久，早期的以太網(wǎng) Bridge 采用了基于 MAC 地址在不同端口之間的轉發(fā)，而每一個(gè)端口對應的是一個(gè)以太網(wǎng)的網(wǎng)段，也就是一個(gè)以太網(wǎng)的廣播域，通過(guò)學(xué)習每個(gè)端口的 MAC 地址表的方式，以太網(wǎng) Bridge 只轉發(fā)不同端口間的通信。但是由于Bridge 依賴(lài)的是運行網(wǎng)絡(luò )中存在的MAC 地址和端口的對應表，所以一旦收到目的地址未知的數據包，它將利用廣播的形式來(lái)尋址，這種方法使得它天生不能隔離廣播包和組播包的通信，其后果就是在一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò )中造成數據流量以指數形式的增長(cháng)，從而導致網(wǎng)絡(luò )的癱瘓，這種現象也稱(chēng)為“廣播風(fēng)暴”。
可以說(shuō)“廣播風(fēng)暴”的現象只存在于兩點(diǎn)之間存在冗余鏈路的網(wǎng)絡(luò )之中，而冗余鏈路的存在正是網(wǎng)絡(luò )設計中大量存在的，這種設計的目的是當某一條鏈路失效時(shí)，另一條冗余的鏈路能夠馬上接管所有的工作。為了解決“廣播風(fēng)暴”這一在二層數據網(wǎng)絡(luò )中存在弊端，IEEE（電機和電子工程師學(xué)會(huì )）制定了 802.1d 的生成樹(shù)協(xié)議（Spanning Tree），這種協(xié)議的本質(zhì)就是消除網(wǎng)絡(luò )拓撲中任意兩點(diǎn)之間可能存在的重復路徑，利用這種算法將兩點(diǎn)之間存在的多條路經(jīng)劃分為“通信路徑”和“備份鏈路”，數據的轉發(fā)在“通信路徑”上進(jìn)行，而“備份鏈路”只用于鏈路的偵聽(tīng)，一旦發(fā)現“通信路徑”失效時(shí)，將自動(dòng)地將通信切換到“備份鏈路”上。
現代的二層以太網(wǎng)交換機和三層以太網(wǎng)交換機采用了硬件電路的設計，保證了每個(gè)端口的獨享帶寬，用戶(hù)可以將它的每一個(gè)端口看作是一個(gè)獨立的 Bridge 端口，其二層的工作原理同 Bridge 類(lèi)似。為了實(shí)現在用戶(hù)接入層、匯聚層甚至城域網(wǎng)絡(luò )范圍內的高可靠性，網(wǎng)絡(luò )中關(guān)鍵的拓撲設計往往采用冗余鏈路的設計，雖然也有其他的技術(shù)可以實(shí)現高效的網(wǎng)絡(luò )收斂，但是大多數網(wǎng)絡(luò )設計者還是采用了 802.1d 的方法，原因是 Spanning Tree是一項簡(jiǎn)單而成熟的網(wǎng)絡(luò )自愈技術(shù)。
Spanning Tree的工作方式
Spanning Tree 的工作方式可以從它的字面上理解為“生成樹(shù)”，它的所有的工作都是為了生成一顆倒裝的樹(shù)形，這棵樹(shù)的根就稱(chēng)為“bridge root”，每個(gè)設備會(huì )定義一個(gè)優(yōu)先級，稱(chēng)為“bridge priority”，它的數值越小代表它成為樹(shù)根的可能性越大，而每個(gè)葉結點(diǎn)通往樹(shù)根的路徑稱(chēng)為“root path”，衡量這一路徑的權值稱(chēng)為“path cost”，通常它代表了鏈路的帶寬，一個(gè)千兆端口的權值會(huì )小于一個(gè)百兆端口的權值。所有參與生成樹(shù)算法的網(wǎng)絡(luò )設備都交換它們的報文信息（BPDU），通過(guò)這些信息它們知道哪個(gè)路徑更為快捷、哪個(gè)設備成為樹(shù)根的可能性最高，然后它首先選出整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的樹(shù)根，其次計算每個(gè)葉結點(diǎn)到樹(shù)根的路徑，選擇代價(jià)最小的成為通信的路徑，而另外的路徑成為備份的路徑。在每個(gè)節點(diǎn)的生成樹(shù)算法完畢以前，所有的設備端口都只發(fā)送和接收報文信息，端口的狀態(tài)處于初始化的階段（listening & learning），一旦完成初始化，那么成為通信的路徑的端口轉變?yōu)?#8220;Forwarding”的狀態(tài)，用于數據的收發(fā)，而備份鏈路的端口成為“Blocking”的狀態(tài)（或對端成為“Blocking”的狀態(tài)），只偵聽(tīng) BPDU 的數據。一旦通信的路徑失效，根據 BPDU 的報文，備份鏈路的端口將重新一輪計算的過(guò)程而成為“Forwarding”的狀態(tài)。
Spanning Tree的弊端和增強技術(shù)
Spanning Tree 的算法廣泛運用于二層以太網(wǎng)的收斂和自愈，但是由于它的出現是在局域網(wǎng)的初期所開(kāi)發(fā)的技術(shù)，所以它也存在著(zhù)一些弊端， 主要有以下幾個(gè)不足。
1、二層數據網(wǎng)的收斂時(shí)間過(guò)長(cháng)
根據 802.1d的算法，每個(gè)葉結點(diǎn)的初始化時(shí)間約為 30 秒鐘，整個(gè)拓撲的收斂將會(huì )在 45 秒左右，即使是一個(gè)以太網(wǎng)端口由于插入計算機也需要這個(gè)過(guò)程。而我們知道一旦在關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )如主機核心機房的連接，用戶(hù)期望的值往往要短的多。
2、網(wǎng)絡(luò )拓撲容易引起全局波動(dòng)
由于 802.1d 的理論沒(méi)有域的概念，網(wǎng)絡(luò )中用戶(hù)增加或減少設備、設備配置的改變往往會(huì )引起全局不必要的波動(dòng)，用戶(hù)如果改變其設備參數甚至能引起bridge root 的改變，出現通信網(wǎng)絡(luò )的中斷。這造成用戶(hù)在大規模的數據網(wǎng)絡(luò )中不敢輕易使用 802.1d 的算法。
3、缺乏對現有多 VLAN 環(huán)境的支持
802.1d 沒(méi)有闡明在一個(gè)存在多個(gè) VLAN 情況下如何處理 Spanning Tree 的算法，造成一個(gè)以太網(wǎng)交換機只支持單個(gè) STP運算，從而使得雙光纖鏈路的資源只能利用到一半。
針對這些802.1d 所帶來(lái)的弊端，網(wǎng)絡(luò )設備制造商開(kāi)發(fā)了許多增強的技術(shù)，以使以太網(wǎng)用于現代高速的寬帶網(wǎng)絡(luò )，這些技術(shù)主要有：
需要指出的是以上幾種技術(shù)現在尚未存在開(kāi)放的標準，不同廠(chǎng)商的互連需要依情況不同而定。當然二層數據網(wǎng)絡(luò )的自愈技術(shù)不光是 802.1d 一種，針對 STP 的不足，尤其是收斂時(shí)間過(guò)長(cháng)這一點(diǎn)，許多知名的網(wǎng)絡(luò )廠(chǎng)商甚至開(kāi)發(fā)出不需要 STP 的子秒級收斂技術(shù)，這種收斂有些是依賴(lài)于特殊的光纖端口上，也有一些是建立在光纖以太網(wǎng)技術(shù)上的。
STP：生成樹(shù)協(xié)議 －IEEE 802.1D （STP：Spanning Tree Protocol － IEEE 802.1D）
生成樹(shù)協(xié)議 Spanning Tree 定義在 IEEE 802.1D 中，是一種橋到橋的鏈路管理協(xié)議，它在防止產(chǎn)生自循環(huán)的基礎上提供路徑冗余。為使以太網(wǎng)更好地工作，兩個(gè)工作站之間只能有一條活動(dòng)路徑。網(wǎng)絡(luò )環(huán)路的發(fā)生有多種原因，最常見(jiàn)的一種是故意生成的冗余，萬(wàn)一一個(gè)鏈路或交換機失敗，會(huì )有另一個(gè)鏈路或交換機替代。
STP 是一種橋到橋的通信技術(shù)，提供發(fā)現網(wǎng)絡(luò )物理環(huán)路的服務(wù)。該協(xié)議規定了網(wǎng)橋創(chuàng )建無(wú)環(huán)回loop － free 邏輯拓樸結構的算法。換句話(huà)說(shuō)，STP 提供了一個(gè)生成整個(gè)第二層網(wǎng)絡(luò )的無(wú)環(huán)回樹(shù)結構。
生成樹(shù)協(xié)議操作對終端站透明，也就是說(shuō)，終端站并不知道它們自己是否連接在某單個(gè)局域網(wǎng)或多交換局域網(wǎng)中。當兩個(gè)網(wǎng)橋相互連接在相同的由兩臺計算機組成的網(wǎng)絡(luò )中時(shí)，生成樹(shù)協(xié)議支持兩網(wǎng)橋之間相互交換信息，這樣只需要其中一個(gè)網(wǎng)橋處理兩臺計算機之間發(fā)送的信息。
橋接設備之間通過(guò)使用網(wǎng)橋協(xié)議數據單元（Bridge Protocol Data Unit，BPDU）交換各自狀態(tài)信息。生成樹(shù)協(xié)議通過(guò)發(fā)送 BPDU 信息為交換網(wǎng)絡(luò )配置根交換和根端口，并為每個(gè)交換網(wǎng)路區段（switched segment）配置根端口和指定端口。
網(wǎng)橋中的生成樹(shù)算法可以用來(lái)決定如何使用生成樹(shù)協(xié)議，該算法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠避免網(wǎng)橋環(huán)路，并確保在多路徑情形下網(wǎng)橋能夠選擇一條最有效的路徑。如果最佳路徑選擇失敗，可以使用該算法重新計算網(wǎng)絡(luò )路徑并找出下一條最佳路徑。
利用生成樹(shù)算法可以決定網(wǎng)絡(luò )路徑（哪臺計算機主機在哪個(gè)區段），并通過(guò) BPDU 信息交換以上數據。該過(guò)程主要分為以下兩個(gè)步驟：
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