生成树原理详解

一.生成树的意义

STP技术可以有效的解决环路问题，将彼此交互信息发现网络中的环路，将部分冗余链路强制为阻塞状态，其他链路处于转发状态。最终将环形网络结构修剪成无环路的树形网络结构，从而防止报文在环形网络中不断增生和无限循环，避免设备由于重复接收相同的报文造成处理能力下降

STP不同版本

STP包含两种含义：

• 狭义的STP是指IEEE 802.1D中定义的STP协议。
• 广义的STP包括IEEE 802.1D中定义的STP、IEEE 802.1W中定义的快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）和IEEE 802.1S中定义的多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）。

生成树协议支持如下:

• STP是基础的数据链路层的管理协议，用于二层网络的环路检测和预防。但是，STP拓扑收敛速度慢。
• RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。但RSTP和STP还存在同一个缺陷：局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，不能按VLAN阻塞冗余链路，所有VLAN的报文都沿着一棵生成树进行转发。
• MSTP通过设置VLAN映射表（即VLAN和生成树实例的对应关系表），把VLAN和生成树实例联系起来。同时它把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树实例，生成树实例之间彼此独立。MSTP提供了数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN数据的负载均衡。

• 形成一棵无环路的树，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共享一棵生成树。 RSTP

• 形成一棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
• 收敛速度快。

MSTP

• 形成多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。
• 收敛速度快。
• 多棵生成树在VLAN间实现负载均衡，不同VLAN的流量按照不同的路径转发。

需要区分用户或业务流量，并实现负载分担。不同的VLAN通过不同的生成树转发流量，每棵生成树之间相互独立。

二.工作原理

STP的基本概念

从环形网络拓扑结构到树形结构，总体来说有三个要素：根桥、根端口和指定端口。

根桥：对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。在进行根桥的选择时，一般会选择性能高、网络层次高的交换设备作为根桥。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。

根端口：去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据，这个端口的选择标准是依据路径开销判定。在一台设备上所有使能STP的端口中，根路径开销最小者，就是根端口。很显然，在一个运行STP协议的设备上根端口有且只有一个，根桥上没有根端口。

指定端口：

三.STP的实现过程

1. 选择根网桥：网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”，根桥ID为自身的设备ID。通过交换BPDU消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID最小的设备被选为根桥。根桥上的所有端口都是转发状态。
2. 选择根端口：非根桥设备将接收最优配置消息的那个端口定为根端口，根端口也是处于转发状态。
3. 选择指定端口：设备根据根端口的配置消息和根端口的路径开销，为每个端口计算一个指定端口配置消息，然后将计算出的配置消息与角色待定端口自己的配置消息进行比较。
   • 如果计算出的配置消息更优，则该端口被确定为指定端口，其配置消息也被计算出的配置消息替换，并周期性地向外发送；
   • 如果该端口自己的配置消息更优，则不更新该端口的配置消息并将该端口阻塞。该端口将不再转发数据，且只接收不发送配置消息。

一旦根桥、根端口和指定端口选举成功，整个树形拓扑就建立完毕了。在拓扑稳定后，只有根端口和指定端口转发流量，其他的非根、非指定端口都处于阻塞（Blocking）状态，它们只接收STP协议报文而不转发用户流量。下面结合例子说明STP算法实现的具体过程。