🔹全称：Spanning Tree Protocol
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介绍

定义

以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，并导致广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP，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）。

目前，生成树协议支持如下：

STP

IEEE于1998年发布的802.1D标准定义了STP。STP是数据链路层的管理协议，用于二层网络的环路检测和预防。STP可阻塞二层网络中的冗余链路，将网络修剪成树状，达到消除环路的目的。但是，STP拓扑收敛速度慢，端口必须等待两倍forward delay定时器的时间延迟才能迁移到转发状态。

RSTP

IEEE于2001年发布的802.1W标准定义了RSTP。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：局域网内所有网桥共享一棵生成树，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。RSTP向下兼容STP协议，可以混合组网。

MSTP

IEEE于2002年发布的802.1S标准定义了MSTP。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将环路网络修剪成为一个无环的树形网络，避免报文在环路网络中的增生和无限循环，同时还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。

MSTP兼容STP和RSTP，三种生成树协议的比较如下表所示：

生成树协议 特点 应用场景 注意事项
STP 形成一棵无环路的树：解决广播风暴并实现冗余备份。 无需区分用户或业务流量，所有VLAN共享一棵生成树。 说明：
- 若当前NE40E只支持STP，建议选择使用STP。

  • 若当前NE40E既支持STP又支持RSTP，建议使用RSTP。

  • 若当前NE40E既支持STP/RSTP又支持MSTP，建议选择使用MSTP。

    | | 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。
    - 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。 | |

目的

在以太网交换网中部署生成树协议后，如果网络中出现环路，生成树协议通过拓扑计算，可实现：

  • 消除环路：通过阻塞冗余链路，消除网络中可能存在的网络通信环路。

  • 链路备份：当前活动的路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。

    受益

    由于生成树协议可破除二层环形网络，运营商可获得如下受益：

  • 在组网方面，相比双归属组网，环型拓扑需要的光纤和传输资源更少，这样既能提高可靠性，又能降低资源消耗。

  • 在通信方面，由于能避免广播风暴，生成树协议可以帮助提高通信的及时性和可靠性。

STP出现的背景

STP是一个局域网中消除环路的协议。由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并适当对某些端口进行阻塞以消除环路。
生成树协议（STP） - 图1
如上图所示网络中，会产生如下两种情况：

  • 广播风暴导致网络不可用

环路产生广播风暴，这是众所周知的。图中，假设设备上没有启用STP协议。如果HostA发出广播请求，那么广播报文将被DeviceA和DeviceB的端口port1接收，然后分别从DeviceA和DeviceB的端口port2广播出去，DeviceA的port2广播出去的报文会被HostB和DeviceB的port2接收，同时，DeviceB的port2广播出去的报文会被HostB和DeviceA的port2接收，DeviceA和DeviceB收到了广播报文后，又会从各自的端口port1广播出去，广播报文再被对端port1接收并转发，如此反复，最终导致整个网络资源被耗尽，网络瘫痪不可用。

  • MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏

如图所示，即使是单播报文，也有可能导致设备的MAC地址表项混乱，以致破坏设备的MAC地址表。假设图所示的网络中没有广播风暴，HostA发送一个单播报文给HostB，如果此时HostB临时从网络中移去，那么设备上有关HostB的MAC地址表项也将被删除。此时HostA发给HostB的单播报文，将被DeviceA的端口port1接收，由于DeviceA上没有相应的MAC地址转发表项，该单播报文将被转发到端口port2上，然后DeviceB的端口port2又收到从对端port2端口发来的单播报文，然后又从port1发出去。如此反复，在两台设备上，由于不间断地从端口port1、port2收到主机A发来的单播报文，设备会不停地修改自己的MAC地址表项，从而引起了MAC地址表的抖动。