摘要：
為加速網(wǎng)絡(luò )融合并解決與生成樹(shù)和虛擬 LAN （ VLAN ）交互相關(guān)的地址可擴展性限制的問(wèn)題， IEEE 開(kāi)發(fā)了在 802.1w 中定義的快速生成樹(shù)協(xié)議（ RSTP ）和在 802.1s 中定義的多生成樹(shù)協(xié)議（ MST ）。這篇由思科的 Chiar a Regale 撰寫(xiě)的文章介紹了 IEEE 802.1w 和 802.1s 的主要特性，討論了與傳統生成樹(shù)協(xié)議的互操作性，并提供了一些協(xié)議移植準則。
關(guān)鍵詞：
網(wǎng)橋協(xié)議數據單元（ BPDU ），思科多實(shí)例生成樹(shù)協(xié)議（ MISTP ）， IEEE 802.1D ， IEEE 802.1s ， IEEE 802.1w ，多生成樹(shù)協(xié)議（ MST ），快速生成樹(shù)協(xié)議（ RSTP ），生成樹(shù)協(xié)議（ STP ）， VLAN
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有關(guān)生成樹(shù)、 RSTP 和 MSTP 的具體信息，請閱讀以下白皮書(shū)：
功能強大、可靠的網(wǎng)絡(luò )需要有效地傳輸流量，提供冗余和故障快速恢復功能。在第二層網(wǎng)絡(luò )中，路由協(xié)議不可用，生成樹(shù)協(xié)議通過(guò)從網(wǎng)格化物理拓撲結構而構建一個(gè)無(wú)環(huán)路邏輯轉發(fā)拓撲結構，提供了冗余連接，消除了數據流量環(huán)路的威脅。原始生成樹(shù)協(xié)議 IEEE 802.1D 通常在 50 秒內就可以恢復一個(gè)鏈接故障 [ 融合時(shí)間 = （ 2xForward_Delay ） +Max_Age] 。當設計此協(xié)議時(shí)，這種停機還是可接受的，但是當前的關(guān)鍵任務(wù)應用（如語(yǔ)音和視頻）卻要求更快速的網(wǎng)絡(luò )融合。
為加速網(wǎng)絡(luò )融合并解決與生成樹(shù)和虛擬 LAN （ VLAN ）交互相關(guān)的地址可擴展性限制的問(wèn)題， IEEE 委員會(huì )開(kāi)發(fā)了兩種新標準：在 IEEE 802.1w 中定義的快速生成樹(shù)協(xié)議（ RSTP ）和在 IEEE 802.1s 中定義的多生成樹(shù)協(xié)議（ MST ）。
本文介紹了 802.1w 和 802.1s 的主要特性、與傳統生成樹(shù)協(xié)議的互操作性，并提供了一些協(xié)議移植準則建議。
IEEE 802.1w 快速生成樹(shù)協(xié)議
IEEE 意識到原始 802.1D 生成樹(shù)協(xié)議的融合特性與現代化的交換網(wǎng)絡(luò )和應用相比是有差距的，為此設計了一種全新的 802.1w 快速生成樹(shù)協(xié)議（ RSTP ），以解決 802.1D 的融合問(wèn)題。 IEEE 802.1w RSTP 的特點(diǎn)是將許多思科增值生成樹(shù)擴展特性融入原始 802.1D 中，如 Portfast 、 Uplinkfast 和 Backbonefast 。（瀏覽這些思科特性的 具體信息 ）通過(guò)利用一種主動(dòng)的網(wǎng)橋到網(wǎng)橋握手機制取代 802.1D 根網(wǎng)橋中定義的計時(shí)器功能， IEEE 802.1w 協(xié)議提供了交換機（網(wǎng)橋）、交換機端口（網(wǎng)橋端口）或整個(gè) LAN 的快速故障恢復功能。通過(guò)將生成樹(shù)“ hello ”作為本地鏈接保留的標志， RSTP 改變了拓撲結構的保留方式。這種做法使原始 802.1D fwd-delay 和 max-age 計時(shí)器主要成為冗余設備，目前主要用于備份，以保持協(xié)議的正常運營(yíng)。
除了下面章節中列舉的新概念外， RSTP 引入了新的 BPDU 處理和新的拓撲結構變更機制。每個(gè)網(wǎng)橋每次“ hello time ”都會(huì )生成 BPDU ，即使它不從根網(wǎng)橋接收時(shí)也是如此。 BPDU 起著(zhù)網(wǎng)橋間保留信息的作用。如果一個(gè)網(wǎng)橋未能從相鄰網(wǎng)橋收到 BPDU ，它就會(huì )認為已與該網(wǎng)橋失去連接，從而實(shí)現更快速的故障檢測和融合。
在 RSTP 中，拓撲結構變更只在非邊緣端口轉入轉發(fā)狀態(tài)時(shí)發(fā)生。丟失連接——例如端口轉入阻塞狀態(tài)，不會(huì )像 802.1D 一樣引起拓撲結構變更。 802.1w 的拓撲結構變更通知（ TCN ）功能不同于 802.1D ，它減少了數據的溢流。在 802.1D 中， TCN 被單播至根網(wǎng)橋，然后組播至所有網(wǎng)橋。 802.1D TCN 的接收使網(wǎng)橋將轉發(fā)表中的所有內容快速失效，而無(wú)論網(wǎng)橋轉發(fā)拓撲結構是否受到影響。相形之下， RSTP 則通過(guò)明確地告知網(wǎng)橋，溢出除了經(jīng)由 TCN 接收端口了解到的內容外的所有內容，優(yōu)化了該流程。 TCN 行為的這一改變極大地降低了拓撲結構變更過(guò)程中， MAC 地址的溢出量。
端口作用
RSTP 在端口狀態(tài)（轉發(fā)或阻塞流量）和端口作用（是否在拓撲結構中發(fā)揮積極作用）間進(jìn)行了明確的劃分。除了從 802.1D 沿襲下來(lái)的根端口和指定端口定義外，還定義了兩種新的作用（見(jiàn)圖 1 ）：
圖 1
• 備份端口 ——用于指定端口到生成樹(shù)樹(shù)葉的路徑的備份，僅在到共享 LAN 網(wǎng)段有 2 個(gè)或 2 個(gè)以上連接，或 2 個(gè)端口通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接為環(huán)路時(shí)存在
• 替代端口 ——提供了替代當前根端口所提供路徑、到根網(wǎng)橋的路徑
這些 RSTP 中的新端口實(shí)現了在根端口故障時(shí)替代端口到轉發(fā)端口的快速轉換。下面的例子中詳細解釋了此過(guò)程。
端口狀態(tài)
端口的狀態(tài)控制轉發(fā)和學(xué)習過(guò)程的運行。
RSTP 定義了 3 種狀態(tài)：放棄、學(xué)習和轉發(fā)。根或指定端口在拓撲結構中發(fā)揮著(zhù)積極作用，而替代或備份端口不參與主動(dòng)拓撲結構。在穩定的網(wǎng)絡(luò )中，根和指定端口處于轉發(fā)狀態(tài)，替代和備份端口則處于放棄狀態(tài)。
快速融合概述
如前所述， RSTP 旨在盡快地將根端口和指定端口轉成轉發(fā)狀態(tài)，以及將替代和備份端口轉成阻塞狀態(tài)。為防止生成轉發(fā)環(huán)路， RSTP 在網(wǎng)橋間采用了明確的“握手”功能，以確保端口作用在網(wǎng)絡(luò )中分配的一致性。
圖 2
圖 2 介紹了將端口轉換成轉發(fā)前達成的協(xié)定 / 建議握手。當鏈接激活時(shí)，“ P1 ”和“ P2 ”都成為處于放棄狀態(tài)的指定端口。
在這種情況下，“ P1 ”將向交換機 A 發(fā)送一個(gè)建議 BPDU 。收到新 BPDU 后，交換機 A 將確認根交換機有較優(yōu)根成本。因為 BPDU 包含較高的根優(yōu)先級，交換機 A 在將新的根端口“ P2 ”轉入轉發(fā)狀態(tài)前，會(huì )先啟動(dòng)同步機制。如果一個(gè)端口處于阻塞狀態(tài)或是一個(gè)邊緣端口（位于網(wǎng)橋 LAN 邊緣或連接到終端工作站），該端口與根信息同步。
端口 3 （“ P3 ”）已滿(mǎn)足上述要求，因為它已經(jīng)是阻塞的。因此，不會(huì )對該端口采取任何行動(dòng)。但是，“ P4 ”是一種指定端口，需要阻塞。一旦交換機 A 上的所有接口處于同步狀態(tài)，“ P2 ”就會(huì )承認從前從根接收的建議，并可以安全地轉入轉發(fā)狀態(tài)。在收到交換機 A 的認可后，根交換機將立即將“ P1 ”轉入轉發(fā)。建議 / 協(xié)定信息的類(lèi)似傳送波將從“ P4 ”傳播至網(wǎng)絡(luò )枝葉部分。
由于這種握手機制不依賴(lài)計時(shí)器，因此它可以快速地傳播至網(wǎng)絡(luò )邊緣，并在拓撲結構變更后迅速恢復連接。如果協(xié)定并未復制建議信息，端口會(huì )轉換成 802.1D 模式，并通過(guò)傳統聽(tīng)學(xué)順序轉入轉發(fā)狀態(tài)。需要說(shuō)明的是， 802.1w 協(xié)議只適用于點(diǎn)到點(diǎn)鏈接。在媒體共享的情況下， 802.1w 協(xié)議將轉換成 802.1D 運行。
多生成樹(shù)協(xié)議
在 Cisco MISTP[ 多實(shí)例生成樹(shù)協(xié)議 ] 的推動(dòng)下， MST 通過(guò)將一些基于 VLAN 的生成樹(shù)匯聚入不同的實(shí)例，并且每實(shí)例只運行一個(gè)（快速）生成樹(shù)，從而改進(jìn)了 RSTP 的可擴展性。為確定 VLAN 實(shí)例的相關(guān)性， 802.1s 引入了 MST 區域概念。每臺運行 MST 的交換機都擁有單一配置，包括一個(gè)字母數字式配置名、一個(gè)配置修訂號和一個(gè) 4096 部件表，它與潛在支持某個(gè)實(shí)例的各 4096 VLAN 相關(guān)聯(lián)。作為公共 MST 區域的一部分，一組交換機必須共享相同的配置屬性。重要的是請記住，配置屬性不同的交換機會(huì )被視為位于不同的區域。
為確保一致的 VLAN 實(shí)例映射，協(xié)議需要識別區域的邊界。因此，區域的特征都包括在 BPDU 中。交換機必須了解它們是否像鄰居一樣位于同一區域，因此會(huì )發(fā)送一份 VLAN 實(shí)例映射表摘要，以及修訂號和名稱(chēng)。當交換機接收到 BPDU 后，它會(huì )提取摘要，并將其與自身的計算結果進(jìn)行比較。為避免出現生成樹(shù)環(huán)路，如果兩臺交換機在 BPDU 中所接收的參數不一致，負責接收 BPDU 的端口就會(huì )被宣布為邊界端口。
IEEE 802.1s 引入了 IST （內部生成樹(shù)）概念和 MST 實(shí)例。 IST 是一種 RSTP 實(shí)例，它擴展了 MST 區域內的 802.1D 單一生成樹(shù)。 IST 連接所有 MST 網(wǎng)橋，并從邊界端口發(fā)出、作為貫穿整個(gè)網(wǎng)橋域的虛擬網(wǎng)橋。 MST 實(shí)例（ MSTI ）是一種僅存在于區域內部的 RSTP 實(shí)例。它可以缺省運行 RSTP ，無(wú)須額外配置。不同于 IST 的是， MSTI 在區域外既不與 BPDU 交互，也不發(fā)送 BPDU 。 MST 可以與傳統和 PVST+ 交換機互操作。思科實(shí)施定義了 16 種實(shí)例：一個(gè) IST （實(shí)例 0 ）和 15 個(gè) MSTI ，而 802.1s 則支持一個(gè) IST 和 63 個(gè) MSTI 。
與傳統生成樹(shù)的互操作性
RSTP 和 MSTP 都能夠與傳統生成樹(shù)協(xié)議互操作。但是，當與傳統網(wǎng)橋交互時(shí)， 802.1w 的快速融合優(yōu)勢就會(huì )失去。
為保留與基于 802.1D 網(wǎng)橋的向后兼容性， IEEE 802.1s 網(wǎng)橋在其端口上接聽(tīng) 802.1D 格式的 BPDU 。如果收到了 802.1D BPDU ，端口會(huì )采用標準 802.1D 行為，以確保兼容性。例如，在圖 3 中，交換機 A 上的“ P4 ”一旦在至少兩倍的“ hello time ”中檢測到 PVST+ BPDU ，它就會(huì )發(fā)送 PVST+ BPDU 。要說(shuō)明的是，如果 PVST+ 網(wǎng)橋從網(wǎng)絡(luò )中刪除后，交換機 A 就無(wú)法發(fā)現拓撲結構變更，需要人工重啟協(xié)議移植。
圖 3
圖 3 介紹了應用于 VLAN 2000 的轉發(fā)拓撲結構，它映射至 RSTP/MSTP 區域中的 MST #2 。用于 IST 和 MST #2 的根交換機駐留于 RSTP/MSTP 區域內。 MSTI BPDU 并未發(fā)送至邊界端口“ P4 ”外，只有 IST BPDU 是如此。通過(guò)在 PVST+ 域所有現用 VLAN 上復制 ISTP BPDU ， MST 區域模擬了 PVST+ 鄰居。然后， PVST+ 域接收 IST 上發(fā)送的 BPDU ，并選擇交換機 B 作為 VLAN 2000 的根交換機（注：交換機 B 是 IST 的根。）
如果 PVST+ 域中出現拓撲結構變更，在傳統云中生成的相應的拓撲結構變化通知（ TCN ） BPDI 將由 IST 在 MST 域中處理，不致影響 MST 轉發(fā)拓撲結構。為了避免可能導致環(huán)路的錯誤配置，強烈建議為 MST 域中的 PVST+ 實(shí)例（即 IST 根）配置根交換機。
主要定義
IEEE 802.1D —— IEEE 建議，在整個(gè)第二層域中定義單一無(wú)環(huán)路拓撲結構。由于 802.1D 無(wú)虛擬 LAN （ VLAN ）感知功能，因此轉發(fā)拓撲結構是唯一的，獨立于網(wǎng)絡(luò )中現用的 VLAN 。這種方案從計算開(kāi)支的角度是可擴展的，但在配置多個(gè) VLAN 的情況下，無(wú)法為冗余鏈接提供負載均衡功能 。
PVST+ ——思科生成樹(shù)為每個(gè) VLAN 構建了一個(gè)不同的邏輯拓撲結構。這種方案通過(guò)允許每個(gè) VLAN 擁有不同的轉發(fā)鏈接，實(shí)現了負載均衡，但它卻是 CPU 密集型的——網(wǎng)橋協(xié)議數據單元（ BPDU ）是根據各個(gè) VLAN 生成并處理的。
CHIARA REGALE 是思科城域以太網(wǎng)部的技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工程師。她主要從事城域以太網(wǎng)領(lǐng)域的解決方案設計和修正工作。從意大利 Politecnico of Turin 獲得電信工程理學(xué)碩士學(xué)位后， Regale 加盟 Cisco Catalyst 6000 生成樹(shù)協(xié)議開(kāi)發(fā)團隊，負責設計和實(shí)施特性，以改進(jìn)生成樹(shù)性能。她的聯(lián)系方式為 chiara@cisco.com 。有關(guān)一些交換機轉發(fā)拓撲結構的移植策略和樣本配置，請參考 Packet Online 。
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