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一、 MSTP協議

MSTP是一個共有的生成樹協議，在實際生產環境中得到廣泛的應用。

傳統的生成樹只運行一個實例，且收斂速度慢，RSTP再傳統STP基礎上通過改進達到了加速網絡拓撲收斂的目的，但是依然存在缺陷。由于 STP和RSTP再整個局域網中，所有的VLAN共享一個生成樹實例，因此無法實現基于VLAN的負載均衡，網絡環境穩定狀態下備份鏈路始終不能轉發數據流量，造成帶寬的浪費。

MSTP（Multiple Spanning tree Algorithm and protocol）是多生成樹技術，允許在一個交換環境中運行多個生成樹，每個生成樹稱為一個實例（instance）。實例時間的生成樹彼此獨立，如一個實例下的阻塞接口在另一個實例上可能是一個轉發端口。和Cisco私有的PVST技術不同，MSTP允許多個vlan運行一個生成樹實例，相比較Cisco的PVST技術，這是一個優勢，因為在Cisco交換機中，運行PVST技術，是一個實例一棵樹，實例越多，生成樹越多，交換機維護這些生成樹，也是需要消耗硬件資源及網絡開銷的。大部分情況下，運行多個生成樹實例的好處就在于鏈路的負載分擔，但是當只有一條冗余鏈路時，運行兩個生成樹實例完全可以實現負載均衡，同時又能節約系統開銷。

上圖網絡環境中存在兩個生成樹實例，不同實例的根網橋再不同物理交換機上，不但可以實現負載分擔，而且不會因為過多的實例而占用系統資源。

MSTP將環路網絡修剪成一個無環的樹形網絡，避免廣播風暴的產生，同時還提供了數據轉發的多個冗余路徑，在數據轉發過程中實現VLAN數據的負載均衡。MSTP還兼容STP和RSTP。

MSTP把一個交換網絡劃分成多個域，每個域內形成多棵生成樹，生成樹之間彼此獨立。每棵生成樹稱為一個多生成樹實例（Multiple spanning tree instance，MSTI），每個域稱為一個MST域。

MSTP通過設置VLAN映射表（即VLAN和MSTI的對應關系表），把VLAN和MSTI聯系起來。每個VLAN只能對應一個MSTI，即同一VLAN的數據只能在一個MSTI中傳輸，而一個MSTI可以對應多和VLAN。如上圖所示，instance 1對應vlan 10，instance 2對應vlan 20，S1為MSTI1的根交換機，S2為MSTI2的根交換機，instance 1阻塞S2與S3之間鏈路，instance 2阻塞S1與S3之間鏈路，可以充分利用網絡帶寬，有效避免資源浪費。

二、MSTP的基本原理是什么？

在MSTP中，通過把整個互聯的二層網絡劃分成若干個域。在域內，把其中的vlan分成若干組，每組具有相同的拓撲結構，然后定義若干個MSTI，并把這些生成樹實例和不同的vlan映射起來。

所謂實例就是多個vlan的一個集合。通過將多個vlan映射到一個實例，可以節省通信開銷和資源占用率。MSTP各個實例拓撲的計算相互獨立，在這些實例上可以實現負載均衡。可以把多個相同拓撲結構的vlan映射到同一個實例里，這些vlan在接口上的轉發狀態取決于接口在對應MSTP實例的狀態。

如果僅僅是為了防止廣播風暴等環路問題，運行CST（CST也是一種生成樹協議，關于CST技術自行查閱相關資料，這里不敘述了）已經足夠。運行多實例的主要目的在于使其負載分擔鏈路負載。所以運行的生成樹實例數量一般取決于冗余線路的數量，如果只有一條冗余鏈路，那么最好運行兩個實例。如果有兩條冗余鏈路，那么運行三個實例將是最好的選擇，并盡可能保證每個實例中流量相差不大。

1、 MSTP的網絡層次

一個二層交換網絡可以劃分多個MST域（多生成樹域），每個生成樹域可以劃分多個MSTI，每個實例中可以映射多個vlan。

如上圖中的MSTP網絡包含3個MST域，分別是A、B、C。每個MST域中包含一個或多個MSTI。MST域B中包含兩個MSTI，分別是instance 1和instance 2。instance 1和vlan 1-5映射，instance 2和vlan 6-10映射。

2、 MST域

MST域是多生成樹域，由局域網中的多臺交換機及他們之間的網段構成。一個局域網可以存在多個MST域，各MST域之間在物理上直接相連。用戶可以通過MSTP配置命令把多臺交換機劃分在同一個MST域內。MST域中的交換機都啟用了MSTP，配置了相同的域名及vlan映射表（VLAN映射表是MST域的屬性，它描述了VLAN和MSTI之間的映射關系）。

3、MSTI

一個MST域內可以運行多個MSTI，MSTI之間彼此獨立，MSTI可以與一個或者多個VLAN對應，但一個VLAN只能與一個MSTI對應。

4、端口角色

MSTP中的端口角色主要有根端口，指定端口 ，預備端口，備份端口和邊緣端口。除邊緣端口外其他端口角色都參與MSTP的計算過程。同一端口在不同的MSTI中可以擔任不同的角色。

根端口：非根交換機上到根交換機開銷最小的端口就是該交換機的根端口，根端口能夠轉發數據流量到根交換機。下圖中的P3、P4和P8為根端口。

指定端口：該交換機向下游交換機發送BPDU（一種橋協議數據單元，用來交換網橋ID、根路徑成本等信息，用來選舉交換機端口角色）或者數據流量的端口。在下圖中，P1、P2和P6為指定端口（當S3優先級高于S2時）。

邊緣端口：位于網絡最邊緣處，不參與生成樹計算，一般連接非交換機設備，如終端服務器、PC、路由器等。

預備端口：從轉發數據流量的角度來看，預備端口提供了到達根交換機的一條備份鏈路，其接口狀態為阻塞，不轉發數據流量，當根端口被阻塞時，預備端口將成為新的根端口。在下圖中P5為預備端口。

備份端口：當同一臺交換機的兩個端口互相連接時就存在一個環路（聚合鏈路除外），此時，交換機就會將其中一個端口阻塞，備份端口就是被阻塞的那個端口。從發送BPDU來看，備份端口就是由于學習到本設備上其他端口發送的BPDU而被阻塞的端口。從轉發數據流量來看，備份端口作為指定端口的備份，提供了一條從根交換機到非根交換機的備份鏈路，在下圖中，P7就是備份端口。

5、MSTP的端口狀態

Forwarding（轉發狀態）：在這種狀態下，端口即轉發用戶流量，又接收/發送BPDU報文。

Learning（學習狀態）：這是一種過渡狀態，在Learning狀態下交換機會根據收到的用戶流量，學習mac地址表，但不轉發用戶流量，所以稱為學習狀態。Learning狀態的端口接收/發送BPDU報文，不轉發用戶流量。

Discarding（阻塞狀態）：在這種狀態下，端口只接收BPDU報文。

三、 MSTP的保護功能

在面對一些二層生成樹攻~擊時，下面四個技術可以增加生成樹的安全性。

1、 BPDU保護

在交換機上，通常將直接與用戶終端（如PC機）或服務器等非交換機設備相連的端口配置為邊緣接口，以實現這些端口的快速收斂，正常情況下，這些端口是不會接收到BPDU。如果有人偽造BPDU惡意攻~擊交換機，當這些端口收到BPDU時，交換機會自動將這些端口設置為非邊緣端口，并重新進行生成樹計算，從而引起網絡震蕩。

啟用BPDU保護功能后，如果接口收到BPDU報文，那么該接口將被自動關閉，從而避免了后續的攻~擊及由此帶來的網絡震蕩。

配置命令如下：

[LSW1]stp bpdu-protection #開啟BPDU保護

2、 根保護

由于網絡管理人員失誤或人為惡意攻 擊，網絡中的合法交換機端口可能會收到優先級更高的BPDU，這將使目前網絡中的根失去根地位，之后將重新計算生成樹，引起網絡震蕩，還有可能將網絡流量從高速鏈路上轉移到低俗鏈路中，造成網絡擁塞。為了防止這種情況出現，交換機提供根保護功能。根保護功能通過維持指定端口的角色來保護根交換機的地位。配置了根保護功能的端口，在所有實例上的端口角色都保持為指定端口。當端口接收到優先級更高的BPDU時，端口角色不會變為非指定端口，而是進入偵聽狀態，不再轉發報文。經過足夠長的時間，如果端口一直沒有再收到優先級較高的BPDU，端口會恢復到原來的正常狀態。

配置命令如下：

[LSW1]in g0/0/1 #進入指定端口
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1]stp root-protection #開啟根保護

3、 環路保護

根端口和其他阻塞端口狀態會周期性地接收來自上游交換機（在本博文的第三張配圖中，R1就是R2和R3的上游交換機，R4就是R2和R3的下游交換機）的BPDU。當鏈路擁塞或者單向鏈路故障時，這些端口無法接收來自上游交換機的BPDU，交換機會重新選擇根端口。原先的根端口會轉變為指定端口，而原先的阻塞端口會遷移到轉發狀態，從而造成交換網絡中可能產生環路。環路保護功能會抑制這種環路產生。在啟動了環路保護功能后，如果根端口收不到來自上游的BPDU，根端口會被設置進入阻塞狀態；而阻塞端口則會一直保持在阻塞狀態，不轉發報文，從而不會在網絡中形成環路 。

配置命令如下：

[LSW1]in g0/0/1 #進入根端口
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1]stp loop-protection #啟用環路保護功能

4、 TC保護

交換機在接收到TC-BPDU報文后，會執行MAC地址表項和ARP表項的刪除操作，如果有人偽造TC-BPDU報文惡意攻~擊交換機，交換機短時間內會收到很多TC-BPDU報文，頻繁的刪除操作會給交換機造成很大的負擔，給網絡的穩定性帶來很大的隱患，啟用TC保護功能后，在固定的時間內，MSTP進程處理TC類型BPDU報文的次數可配置。如果在固定的時間內，MSTP進程收到TC類型的BPDU報文數量大于配置的閾值，那么MSTP進程只會處理閾值指定的次數。對于其他超出閾值的TC類型BPDU報文，定時器到期后，MSTP進程對其統一處理一次。這樣可以避免頻繁地刪除MAC地址表項和ARP表項，從而達到保護交換機的目的。

配置命令如下：

[LSW1]stp tc-protection threshold 3 #指定閾值為3。

四、 簡單配置MSTP

實驗環境：

三臺交換機，兩天終端PC，交換機開啟MSTP協議，區域名稱HUAWEI，修訂版本級別為1。分別建立MSTI1和MSTI2，VLAN10映射到MSTI1，VLAN20映射到MSTI2，MSTI1的根網橋在S1上，MSTI2的根網橋在S2上。VLAN10中的客戶端地址為10.1.10.1，VLAN20中的客戶端地址為10.1.20.1。利用MSTP實現VLAN10和VLAN20的互訪，并且VLAN10的流量通過路徑S3→S1→R1到達網關，VLAN20的流量通過路徑S3→S2→R1到達網關。

拓撲圖如下：

推薦步驟：

1. 配置客戶端和路由器的IP地址
2. 配置VLAN及Trunk
3. 配置MSTP
4. 驗證

操作步驟：

1. 配置客戶端和路由器的IP地址

R1

[R1]INT G0/0/0 #進入接口
[R1-GigabitEthernet0/0/0]ip add 10.1.10.254 24 #配置IP地址
[R1-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1 #進入接口
[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip add 10.1.20.254 24 #配置IP地址
[R1-GigabitEthernet0/0/1]quit #保存退出

1. 配置VLAN及Trunk

S1

[S1]vlan batch 10 20 #批量創建vlan
[S1]int g0/0/2 #進入接口
[S1-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk #配置為trunk模式
[S1-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan all #配置承載所以vlan通信
[S1-GigabitEthernet0/0/2]int g0/0/1 #進入接口
[S1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk #配置為trunk
[S1-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all #配置承載所有vlan通信
[S1-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/3 #進入接口
[S1-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid untagged vlan 10 #轉發數據移除vlan 10的標識
[S1-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid pvid vlan 10 #配置PVID為vlan 10
[S1-GigabitEthernet0/0/3]quit #保存退出

S2

[S2]vlan batch 10 20
[S2]int g0/0/2
[S2-GigabitEthernet0/0/2]port link-type trunk 
[S2-GigabitEthernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan all
[S2-GigabitEthernet0/0/2]int g0/0/1
[S2-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk 
[S2-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all
[S2-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/3
[S2-GigabitEthernet0/0/3]port link-type hybrid 
[S2-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid untagged vlan 20 #轉發數據移除vlan 20的標識
[S2-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid pvid vlan 20 #配置PVID為vlan 20
[S2-GigabitEthernet0/0/3]quit

S3

[S3]vlan batch 10 20 #批量創建vlan
[S3]int eth0/0/3 #進入接口
[S3-Ethernet0/0/3]port link-type access #接口配置為access模式
[S3-Ethernet0/0/3]port default vlan 10 #vlan 10加入接口
[S3-Ethernet0/0/3]int eth 0/0/4 #進入接口
[S3-Ethernet0/0/4]port link-type access #接口配置為access模式
[S3-Ethernet0/0/4]port default vlan 20 #vlan 20加入接口
[S3-Ethernet0/0/4] int eth0/0/1 #進入接口
[S3-Ethernet0/0/1]port link-type trunk #接口配置為trunk模式
[S3-Ethernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all #承載所以vlan通信
[S3-Ethernet0/0/1]int e0/0/2 #進入接口
[S3-Ethernet0/0/2]port link-type trunk #接口配置為trunk模式
[S3-Ethernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan all #承載所有vlan通信
[S3-Ethernet0/0/2]quit #保存并退出

1. 配置MSTP

S1

[S1]stp mode mstp #開啟生成樹（將交換機配置成MSTP模式）
[S1]stp region-configuration #進入到stp配置模式
[S1-mst-region]region-name HUAWEI #配置stp域名
[S1-mst-region]revision-level 1 #配置stp版本為1
[S1-mst-region]instance 1 vlan 10 #將vlan 10添加到stp實例1中
[S1-mst-region]instance 2 vlan 20 #將vlan 20添加到stp實例2中
[S1-mst-region]active region-configuration #激活生成樹實例 （必須激活，否則無效）
[S1-mst-region]quit #保存并退出
[S1]stp instance 1 root primary #配置為實例1的根網橋
[S1]stp instance 2 root secondary #配置為實例2的備份根網橋

S2

[S2]stp mode mstp #開啟生成樹（將交換機配置成MSTP模式）
[S2]stp region-configuration #進入到stp配置模式
[S2-mst-region]region-name HUAWEI #配置stp域名 
[S2-mst-region]revision-level 1 #配置stp版本為1
[S2-mst-region]instance 1 vlan 10 #將vlan 10添加到stp實例1中
[S2-mst-region]instance 2 vlan 20 #將vlan 20添加到stp實例2中
[S2-mst-region]active region-configuration #激活生成樹實例 （必須激活，否則無效）
[S2-mst-region]quit 
[S2]stp instance 1 root secondary #配置為實例1的備份根網橋
[S2]stp instance 2 root primary #配置為實例2的根網橋

S3

[S3]stp mode mstp #開啟生成樹（將交換機配置成MSTP模式）
[S3]stp region-configuration #進入到stp配置模式
[S3-mst-region]region-name HUAWEI #配置stp域名
[S3-mst-region]revision-level 1 #配置stp版本為1
[S3-mst-region]instance 1 vlan 10 #將vlan 10添加到stp實例1中
[S3-mst-region]instance 2 vlan 20 #將vlan 20添加到stp實例2中
[S3-mst-region]active region-configuration #激活生成樹實例 （必須激活，否則無效）
[S3-mst-region]quit

1. 驗證

驗證中可以看出，instance 1中的Ethernet0/0/2和instance 2中的Ethernet0/0/1處于阻塞狀態，同時，兩個實例之間互相獨立，彼此不受影響。