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MSTP概述
RSTP虽然在STP的基础上进行了一定程度的优化，但是依然与STP一样存在一个较大的短板，那就是当它们都被部署在交换网络中时，所有的VLAN共用一颗生成树。这个短板将使得网络中的流量无法再所有可能链路上实现负载分担，导致链路带宽利用率、设备资源利用率较低。
Cisco的私有生成树协议PVST(Per-VLAN Spanning Tree)，它基于每个VLAN进行生成树的计算。这种技术的优点是实现了负载分担。但是这种技术也有缺点。如果网络中VLAN的数量特别大，那么所有的交换机将不得不为每个VLAN都计算一颗生成树，那么设备的资源消耗将变得非常大，为了进行大规模的生成树计算，设备将变得不堪重负，甚至有可能影响到正常业务流量的处理。
IEEE发布的802.1s标准解决了上述问题，它定义了一种新的生成树协议——MSTP(Multiple Instance Spanning Tree Protocol，多实例生成树协议)，MSTP能够兼容STP及RSTP，在该协议中，生成树不是基于VLAN运行的，而是基于Instance(实例)运行的。所谓Intance，也即一个或多个VLAN的集合。
将一个或多个VLAN映射到一个Instance，然后MSTP基于该Instance计算生成树。映射到同一个Instance的VLAN将共享同一颗生成树。
同时，MSTP引入了域(region)的概念(类似于OSPF的area)。可以将一个交换网络分成多个MST域(Multiple Spanning Tree Region，多生成树域)，一个MST域内可以包含一台或多台交换机。（在实际应用中，一般还是没有划分多个域，即网络中的交换机都属于同一个域，就像OSPF的应用，实际很多场景都只有一个骨干区域，这样做，无他，纯属简化网络）
STP、RSTP、MSTP的比较：
| 协议名称 | 标准 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| STP | 802.1D | 形成一颗无环路的树，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共享一颗生成树 |
| RST | 802.1W | 形成一颗无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份，收敛速度快。 | 无需区分用户或业务流量，所有VLAN共享一颗生成树 |
| MSTP | 802.1S | 形成多颗无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。收敛速度快 | 需要区分用户或业务流量，并形成负载分担。不同的VLAN通过不同的生成树转发流量，每颗生成树之间相互独立。 |
相关术语
在MSTP中，引入了比较多的术语（毕竟引入了域的概念），初次学习这些术语时，可能会觉得比较懵。。。
MST域(MST Region)
属于同一个MST域的交换机必须(1)配置相同的域名(Region name)、相同的修订级别(Revison level)，以及相同的VLAN与Instance的映射关系。
VLAN映射表
VLAN映射表是MST域的属性，它描述了VLAN和MSTI之间的映射关系。比如上图中，VLAN1映射到MSTI1、VLAN2映射到MSTI2、其他的VLAN映射到MSTI3。
CST(Common Spanning Tree，公共生成树)
IST(Internal Spanning Tree，内部生成树)
内部生成树IST是各MST域内ID为0的生成树，即MSTI0。
我们从前面可以知道，一个VLAN只能对应一个实例。但是一个实例可以对应一组VLAN。这都需要人工配置，在默认情况下，所有的VLAN都属于实例0，即MSTI0。当一个VLAN映射到其他实例后，该VLAN就从MSTI0中删除了。
CIST(Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树)
公共和内部生成树CIST（Common and Internal Spanning Tree）是通过STP或RSTP协 议计算生成的，连接一个交换网络内所有交换设备的单生成树。
CIST是由CST和IST构成的。
SST(Single Spanning Tree，单生成树)
构成SST的两种情况：
- 运行STP或RSTP的交换设备只能属于一个生成树。
- MST域中只有一个交换设备，这个交换设备构成单生成树。
总根(Common Root, CIST Root)
总根是CIST的根桥。选举原则还是最低桥ID原则(网络中桥ID最小的交换机成为总根)。
比如下图中，S1就是这片网络的总根。
域根(Regional Root)
域根（Regional Root）：MST域内IST和MSTI的根桥。在域中各实例有各自的域根。可以不是一个桥。
主桥(Master Bridge)
端口角色
相对于RSTP，MSTP新增了两种端口角色：Master端口、域边缘端口。因此，MSTP总共有7种端口角色：根端口、指定端口、Alternate端口、Backup端口、边缘端口、Master端口、域边缘端口。
- Master端口：位于整个域到总根的最短路径上，是连接域到总根的端口，是域中的报文去往总根的必经之路。
- 域边缘端口：域边缘端口是指位于MST域的边缘并连接其它MST域或SST的端口。如上图所示，MST域内的AP1、DP1和DP2都和其它域直接相连，它们都是本MST域的域边缘端口。
端口角色总结：
| 端口角色 | 说明 |
|---|---|
| 根端口 | 在非根桥上，离根桥最近的端口是本交换机设备的根端口。根桥没有根端口 |
| 指定端口 | 对一台设备而言，它的指定端口是向下游交换设备转发BPDU报文的端口。一般来说，根桥的所有端口都是指定端口 |
| Alternate 端口 | 从配置BPDU报文发送角度来看，Alternate端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。它是根端口的备份。 |
| Backup 端口 | 从配置BPDU报文发送角度来看，Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。它是指定端口的备份。（一般来说，除非人为构造，实际该类型端口很少见） |
| Master端口 | Master端口是MST域和总根相连的所有路径中最短路径上的端口，它是 交换设备上连接MST域到总根的端口。 Master端口是域中的报文去往总根的必经之路。 Master端口是特殊域边缘端口，Master端口在CIST上的角色是Root Port，在其它各实例上的角色都是Master端口。 |
| 域边缘端 口 | 域边缘端口是指位于MST域的边缘并连接其它MST域或SST的端口。 |
| 边缘端口 | 如果指定端口位于整个域的边缘，不再与任何交换设备连接，这种端口 叫做边缘端口。 边缘端口一般与用户终端设备直接连接。 |
端口状态
MSTP定义的端口状态与RSTP协议中定义相同。
| STP端口状态 | M/RSTP端口状态 | 端口状态对应的行为 |
|---|---|---|
| Disabled | Discarding | 不转发用户流量也不学习MAC地址 |
| Blocking | ||
| Listening | ||
| Learning | Learning | 不转发用户流量但学习MAC地址 |
| Forwarding | Forwarding | 既转发用户流量也学习MAC地址 |
MSTP报文
MSTP使用多生成树桥协议数据单元MST BPDU（Multiple Spanning Tree Bridge Protocol Data Unit）作为生成树计算的依据。MST BPDU报文用来计算生成树的拓扑、维护网络拓扑以及传达拓扑变化记录。
STP、RSTP、MSTP各BPDU的比较：
| 协议版本 | BPDU类型 | BPDU名称 |
|---|---|---|
| 0 | 0x00 | 配置BPDU |
| 0 | 0x80 | TCN BPDU |
| 2 | 0x02 | RST BPDU |
| 3 | 0x02 | MST BPDU |
MSTP的报文格式如下。从下面可以知道，前36个字节和RST BPDU相同。从第37个字节开始时MSTP转有字段。
+--------------------------------+ | DMAC | +--------------------------------+ | SMAC | +--------------------------------+ | Length | +--------------------------------+ | LLC header | +--------------------------------+----------------------- | Protocol Identifier | ^ +--------------------------------+ | | Protocol Version Identifier | | +--------------------------------+ | | BPDU Type | | +--------------------------------+ | | Flags | | +--------------------------------+ | | Root Identifier | | +--------------------------------+ | | Root Path Cost | | +--------------------------------+ | | Bridge Identifier | | +--------------------------------+ | | Port Identifier | | +--------------------------------+ | | Message Age | | +--------------------------------+ BPDU | Max Age | payload +--------------------------------+ | | Hello Time | | +--------------------------------+ | | Forward Delay | | +--------------------------------+---------- | | Version 1 Length | RSTP/MSTP | | | Extension | +--------------------------------+---------- | | Version 3 Length | ^ | +--------------------------------+ | | | MST Config ID Format Selector | | | +--------------------------------+ | | | MST Config Name | | | +--------------------------------+ | | | MST Config reversion | | | +--------------------------------+ | | | MST Config Digest | MSTP | +--------------------------------+ Extension | | CIST Internal Root Path Cost | | | +--------------------------------+ | | | CIST Bridge Identifier | | | +--------------------------------+ | | | CIST Remaining Hops | | | +--------------------------------+ | | | MSTI configuration Messages | | | | (may be absent) | V V +--------------------------------+----------------------- | FCS | +--------------------------------+ 字段说明：
| 字段 | 长度(单位：字节) | 说明 |
|---|---|---|
| DMAC | 6 | 目的MAC地址，该字段标识帧的接收者。 |
| SMAC | 6 | 源MAC地址，该字段标识帧的发送者。 |
| Length | 2 | 指后续数据的字节长度，但不包括FCS字段。 |
| Protocol Identifier | 2 | 协议ID＝“0”。 |
| Protocol Version Identifier | 1 | 协议版本标识符，STP为0x00，RSTP为0x02，MSTP为0x03。 |
| BPDU Type | 1 | BPDU类型： (1)0x00：STP的Configuration BPDU (2)0x80：STP的TCN BPDU（Topology Change Notification BPDU） (3)0x02：RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU）或者MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU） |
| Flags | 1 | 标记域。对于STP：第一个bit（左边、高位bit）表示“TCA（拓扑改变响应）”，最后一个bit（右边、低位bit）表示“TC（拓扑改变）”，其他字段预留。 对于RSTP和MSTP： Bit7：TCA (Topology Change Acknowledgement) Bit6：Agreement Bit5：Forwarding Bit4：Learning Bit3和Bit2：端口角色。 00：未知； 01(低位为1高位为0)：Alternate / Backup； 10(低位为0高位为1)：根端口； 11：指定端口 Bit1：Proposal Bit0：TC (Topology Change) |
| Root Identifier | 8 | 网桥ID都是8个字节——前两个字节是网桥优先级，后6个字节是网桥MAC地址。对于MSTP，是指CIST的总根交换机ID。 |
| Root Path Cost | 4 | 根路径开销，本端口累计到根桥的开销。对于MSTP，是指CIST外部路径开销指从本交换机所属的MST域到CIST根交换机的累计路径开销。CIST外部路径开销根据链路带宽计算。 |
| Bridge Identifier | 8 | 发送者BID，本交换机的Bridge ID。对于MSTP，是指CIST的域根交换机ID，即IST Master的ID。如果总根在这个域内，那么域根交换机ID就是总根交换机ID。 |
| Port Identifier | 2 | 发送端口PID，发送该BPDU的端口ID。对于MSTP，是指本端口在IST中的指定端口ID。 |
| Message Age | 2 | 该BPDU的消息年龄，以秒为单位。 |
| Max Age | 2 | 消息老化年龄，以秒为单位，超时则认为到根交换机的链路故障。 |
| Hello Time | 2 | 发送两个相邻BPDU间的时间间隔，以秒为单位。 |
| Forward Delay | 2 | 控制Listening和Learning状态的持续时间，以秒为单位。 |
| Version 1 Length | 1 | Version1 BPDU的长度，值固定为0。只在RSTP和MSTP的BPDU中出现，STP的BPDU没有此字段。 |
| Version 3 Length | 2 | Version3 BPDU的长度，只在MSTP的BPDU中出现。 |
| MST Config ID Format Selector | 1 | 固定为0。 |
| MST Config Name | 32 | “域名”，字符串格式。 |
| MST Config reversion | 2 | 修订级别，非负整数。 |
| MST Config Digest | 16 | 利用HMAC-MD5算法将域中VLAN和实例的映射关系加密成16字节的摘要。 |
| CIST Internal Root Path Cost | 4 | CIST内部路径开销，指从本端口到IST Master交换机的累计路径开销，只在MSTP的BPDU中出现。CIST内部路径开销根据链路带宽计算。 |
| CIST Bridge Identifier | 8 | CIST的指定交换机ID，只在MSTP的BPDU中出现。 |
| CIST Remaining Hops | 1 | BPDU报文在CIST中的剩余跳数，只在MSTP的BPDU中出现。 |
| MSTI Configuration Messages (may be absent) | n×16字节 | MSTI配置信息，只在MSTP的BPDU中出现。每个MSTI的配置信息占16 bytes，如果有n个MSTI就占用n×16bytes。单个MSTI Configuration Messages的字段说明如下： MSTI Flags(1字节)：MSTI标志。 MSTI Regional Root Identifier(8字节)：MSTI域根交换机ID。 MSTI Bridge Priority(1字节)：本交换机在MSTI中的指定交换机的优先级。 MSTI Remaining Hops(1字节)：BPDU报文在MSTI中的剩余跳数。 |
| FCS | 4 | 帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。 FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。 |
我们之前说过，属于同一个MST域的交换机必须(1)配置相同的域名(Region name)、相同的修订级别(Revison level)，以及相同的VLAN与Instance的映射关系。对应MSTP的报文是指的MST Config ID Format Selector、MST Config Name、MST Config reversion、MST Config Digest4个字段的值要要完全一样，才是属于同一个域。
MSTP的拓扑计算
MSTP可以将整个二层网络划分为多个MST域，各个域之间通过计算生成CST。域内则通过计算生成多棵生成树，每棵生成树都被称为是一个多生成树实例。其中实例0被称为IST，其他的多生成树实例为MSTI。MSTP同STP一样，使用配置消息进行生成树的计算，只是配置消息中携带的是设备上MSTP的配置信息。
MSTI和CIST都是根据优先级向量来计算的，这些优先级向量信息都包含在MST BPDU 中。各交换设备互相交换MST BPDU来生成MSTI和CIST。
- 参与CIST计算的优先级向量为：
{ 根交换设备ID，外部路径开销，域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID } - 参与MSTI计算的优先级向量为：
{ 域根ID，内部路径开销，指定交换设备ID，指定端口ID，接收端口ID }
括号中的向量的优先级从左到右依次递减。
参考文献：
1、《HCNP路由交换学习指南》
2、华为 S7700 V200R019C10 配置指南-以太网交换
3、STP/RSTP/MSTP帧 – IP报文格式大全(html) – 华为 (huawei.com)
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