生成樹協(xié)議是一種二層管理協(xié)議，它通過有選擇性地阻塞網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路來達到消除網(wǎng)絡(luò)二層環(huán)路的目的，同時具備鏈路的備份功能。

由于生成樹協(xié)議本身比較小，所以并不像路由協(xié)議那樣廣為人知。但是它卻掌管著端口的轉(zhuǎn)發(fā)大權(quán)—“小樹枝抖一抖，上層協(xié)議就得另謀生路”。真實情況也確實如此，特別是在和別的協(xié)議一起運行的時候，生成樹就有可能斷了其他協(xié)議的報文通路，造成種種奇怪的現(xiàn)象。

生成樹協(xié)議和其他協(xié)議一樣，是隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展而不斷更新?lián)Q代的。本文標題中的“生成樹協(xié)議”是一個廣義的概念，并不是特指IEEE 802.1D中定義的STP協(xié)議，而是包括STP以及各種在STP基礎(chǔ)上經(jīng)過改進了的生成樹協(xié)議。

在生成樹協(xié)議發(fā)展過程中，老的缺陷不斷被克服，新的特性不斷被開發(fā)出來。按照大功能點的改進情況，我們可以粗略地把生成樹協(xié)議的發(fā)展過程劃分成三代，下面一一道來。

STP/RSTP

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期，透明網(wǎng)橋是一個不得不提的重要角色。它比只會放大和廣播信號的集線器聰明得多。它會悄悄把發(fā)向它的數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和 端口號記錄下來，下次碰到這個目的MAC地址的報文就只從記錄中的端口號發(fā)送出去，除非目的MAC地址沒有記錄在案或者目的MAC地址本身就是多播地址才 會向所有端口發(fā)送。通過透明網(wǎng)橋，不同的局域網(wǎng)之間可以實現(xiàn)互通，網(wǎng)絡(luò)可操作的范圍得以擴大，而且由于透明網(wǎng)橋具備MAC地址學(xué)習功能而不會像Hub那樣 造成網(wǎng)絡(luò)報文沖撞泛濫。

但是，金無足赤，透明網(wǎng)橋也有它的缺陷，它的缺陷就在于它的透明傳輸。透明網(wǎng)橋并不能像路由器那樣知 道報文可以經(jīng)過多少次轉(zhuǎn)發(fā)，一旦網(wǎng)絡(luò)存 在環(huán)路就會造成報文在環(huán)路內(nèi)不斷循環(huán)和增生，甚至造成恐怖的“廣播風暴”。之所以用“恐怖”二字是因為在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)將變得不可用，而且在大型網(wǎng)絡(luò)中 故障不好定位，所以廣播風暴是二層網(wǎng)絡(luò)中災(zāi)難性的故障。

在這種大環(huán)境下，扮演著救世主角色的STP(Spanning TreeProtocol)協(xié)議來到人間，其中以IEEE的802.1D版本最為流行。

圖1 生成樹工作過程示意圖

STP協(xié)議的基本思想十分簡單。大家知道，自然界中生長的樹是不會出現(xiàn)環(huán)路的，如果網(wǎng)絡(luò)也能夠像一棵樹一樣生長就不會出現(xiàn)環(huán)路。于 是，STP協(xié)議中定義了根橋(RootBridge)、根端口(RootPort)、指定端口(DesignatedPort)、路徑開銷 (PathCost)等概念，目的就在于通過構(gòu)造一棵自然樹的方法達到裁剪冗余環(huán)路的目的，同時實現(xiàn)鏈路備份和路徑最優(yōu)化。用于構(gòu)造這棵樹的算法稱為生成 樹算法SPA(Spanning TreeAlgorithm)。

要實現(xiàn)這些功能，網(wǎng)橋之間必須要進行一些信息的交流，這些 信息交流單元就稱為配置消息BPDU(BridgeProtocol Data Unit)。STP BPDU是一種二層報文，目的MAC是多播地址01-80-C2-00-00-00，所有支持STP協(xié)議的網(wǎng)橋都會接收并處理收到的BPDU報文。該報文 的數(shù)據(jù)區(qū)里攜帶了用于生成樹計算的所有有用信息。

要了解生成樹協(xié)議的工作過程也不難，首先進行根橋的選舉。選舉的依據(jù)是網(wǎng)橋 優(yōu)先級和網(wǎng)橋MAC地址組合成的橋ID(Bridge ID)，橋ID最小的網(wǎng)橋?qū)⒊蔀榫W(wǎng)絡(luò)中的根橋。在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中，各網(wǎng)橋都以默認配置啟動，在網(wǎng)橋優(yōu)先級都一樣(默認優(yōu)先級是32768)的情況 下，MAC地址最小的網(wǎng)橋成為根橋，例如圖1中的SW1，它的所有端口的角色都成為指定端口，進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

接下來，其他網(wǎng)橋 將各自選擇一條 “最粗壯”的樹枝作為到根橋的路徑，相應(yīng)端口的角色就成為根端口。假設(shè)圖1中SW2和SW2、SW3之間的鏈路是千兆GE鏈路，SW1和SW3之間的鏈路 是百兆FE鏈路，SW3從端口1到根橋的路徑開銷的默認值是19，而從端口2經(jīng)過SW2到根橋的路徑開銷是4+4=8，所以端口2成為根端口，進入轉(zhuǎn)發(fā)狀 態(tài)。同理，SW2的端口2成為根端口，端口1成為指定端口，進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

根橋和根端口都確定之后一棵樹就生成了，如圖中實線所示。下面的任務(wù)是裁剪冗余的環(huán)路。這個工作是通過阻塞非根橋上相應(yīng)端口來實現(xiàn)的，例如SW3的端口1的角色成為禁用端口，進入阻塞狀態(tài)(圖中用“×”表示)。

#p#

生成樹經(jīng)過一段時間(默認值是30秒左右)穩(wěn)定之后，所有端口要么進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，要么進入阻塞狀態(tài)。STPBPDU仍然會定時從各個網(wǎng)橋的指定端口發(fā)出，以維護鏈路的狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化，生成樹就會重新計算，端口狀態(tài)也會隨之改變。

當然生成樹協(xié)議還有很多內(nèi)容，在這里不可能一一介紹。之所以花這么多筆墨介紹生成樹的基本原理是因為它太“基本”了，其他各種改進型的生成樹協(xié)議都是以此為基礎(chǔ)的，基本思想和概念都大同小異。

STP協(xié)議給透明網(wǎng)橋帶來了新生。但是，隨著應(yīng)用的深入和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，它的缺點在應(yīng)用中也被暴露了出來。STP協(xié)議的缺陷主要表現(xiàn)在收斂速度上。

當拓撲發(fā)生變化，新的配置消息要經(jīng)過一定的時延才能傳播到整個網(wǎng)絡(luò)，這個時延稱為Forward Delay，協(xié)議默認值是15秒。在所有網(wǎng)橋收到這個變化的消息之前，若舊拓撲結(jié)構(gòu)中處于轉(zhuǎn)發(fā)的端口還沒有發(fā)現(xiàn)自己應(yīng)該在新的拓撲中停止轉(zhuǎn)發(fā)，則可能存在 臨時環(huán)路。為了解決臨時環(huán)路的問題，生成樹使用了一種定時器策略，即在端口從阻塞狀態(tài)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)中間加上一個只學(xué)習MAC地址但不參與轉(zhuǎn)發(fā)的中間狀態(tài)，兩 次狀態(tài)切換的時間長度都是Forward Delay，這樣就可以保證在拓撲變化的時候不會產(chǎn)生臨時環(huán)路。但是，這個看似良好的解決方案實際上帶來的卻是至少兩倍Forward Delay的收斂時間!

為了解決STP協(xié)議的這個缺陷，在世紀之初IEEE推出了802.1w標準，作為對802.1D標準的補 充。在IEEE 802.1w標準里定義了快速生成樹協(xié)議RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)。RSTP協(xié)議在STP協(xié)議基礎(chǔ)上做了三點重要改進，使得收斂速度快得多(最快1秒以內(nèi))。

第一點改進：為 根端口和指定端口設(shè)置了快速切換用的替換端口(Alternate Port)和備份端口(Backup Port)兩種角色，當根端口/指定端口失效的情況下，替換端口/備份端口就會無時延地進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。圖2中所有網(wǎng)橋都運行RSTP協(xié)議，SW1是根橋， 假設(shè)SW2的端口1是根端口，端口2將能夠識別這種拓撲結(jié)構(gòu)，成為根端口的替換端口，進入阻塞狀態(tài)。當端口1所在鏈路失效的情況下，端口2就能夠立即進入 轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，無需等待兩倍Forward Delay時間。

圖2 RSTP冗余鏈路快速切換示意圖

第二點改進：在只連接了兩個交換端口的點對點鏈路中，指定端口只需與下游網(wǎng)橋進行一次握手就可以無時延地進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。如果是連接了三個以上網(wǎng)橋的共享鏈路，下游網(wǎng)橋是不會響應(yīng)上游指定端口發(fā)出的握手請求的，只能等待兩倍Forward Delay時間進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

第三點改進：直接與終端相連而不是把其他網(wǎng)橋相連的端口定義為邊緣端口(Edge Port)。邊緣端口可以直接進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，不需要任何延時。由于網(wǎng)橋無法知道端口是否是直接與終端相連，所以需要人工配置。

可見，RSTP協(xié)議相對于STP協(xié)議的確改進了很多。為了支持這些改進，BPDU的格式做了一些修改，但RSTP協(xié)議仍然向下兼容STP協(xié) 議，可以混合組網(wǎng)。雖然如此，RSTP和STP一樣同屬于單生成樹SST(SingleSpanning Tree)，有它自身的諸多缺陷，主要表現(xiàn)在三個方面。

第一點缺陷：由于整個交換網(wǎng)絡(luò)只有一棵生成樹，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大的時候會導(dǎo)致較長的收斂時間，拓撲改變的影響面也較大。

第二點缺陷：近些年IEEE802.1Q大行其道，逐漸成為交換機的標準協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱的情況下，單生成樹也沒什么大礙。但是，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不對稱的時候，單生成樹就會影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。

圖3 非對稱網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3中假設(shè)SW1是根橋，實線鏈路是VLAN 10，虛線鏈路是802.1Q的Trunk鏈路，Trunk了VLAN 10和VLAN 20.當SW2的Trunk端口被阻塞的時候，顯然SW1和SW2之間VLAN 20的通路就被切斷了。

第三點缺陷：當鏈路被阻塞后將不承載任何流量，造成了帶寬的極大浪費，這在環(huán)行城域網(wǎng)的情況下比較明顯。

圖4 SST帶寬利用率低下示意圖

圖4中假設(shè)SW1是根橋，SW4的一個端口被阻塞。在這種情況下，SW2和SW4之間鋪設(shè)的光纖將不承載任何流量，所有SW2和SW4之間的業(yè)務(wù)流量都將經(jīng)過SW1和SW3轉(zhuǎn)發(fā)，增加了其他幾條鏈路的負擔。

這些缺陷都是單生成樹SST無法克服的，于是支持VLAN的多生成樹協(xié)議出現(xiàn)了。

#p#

聰明伶俐的第二代生成樹協(xié)議：

PVST/PVST+

每個VLAN都生成一棵樹是一種比較直接，而且最簡單的解決方法。它能夠保證每一個VLAN都不存在環(huán)路。但是由于種種原因，以這種方式工 作的生成樹協(xié)議并沒有形成標準，而是各個廠商各有一套，尤其是以Cisco的VLAN生成樹PVST(Per VLAN Spanning Tree)為代表。

為了攜帶更多的信息，PVSTBPDU的格式和STP/RSTPBPDU格式已經(jīng)不一樣，發(fā)送的目的地址也 改成了Cisco保留地址 01-00-0C-CC-CC-CD，而且在VLAN Trunk的情況下PVST BPDU被打上了802.1Q VLAN標簽。所以，PVST協(xié)議并不兼容STP/RSTP協(xié)議。

Cisco很快又推出了經(jīng)過改進的PVST+協(xié)議，并成為了 交換機產(chǎn)品的默認生成樹協(xié)議。經(jīng)過改進的PVST+協(xié)議在VLAN 1上運行的是普通STP協(xié)議，在其他VLAN上運行PVST協(xié)議。PVST+協(xié)議可以與STP/RSTP互通，在VLAN 1上生成樹狀態(tài)按照STP協(xié)議計算。在其他VLAN上，普通交換機只會把PVST BPDU當作多播報文按照VLAN號進行轉(zhuǎn)發(fā)。但這并不影響環(huán)路的消除，只是有可能VLAN 1和其他VLAN的根橋狀態(tài)可能不一致。

圖5 PVST+與SST對接示意圖

圖5中所有鏈路默認VLAN是VLAN 1，并且都Trunk了VLAN 10和VLAN 20.SW1和SW3運行單生成樹SST協(xié)議，而SW2運行PVST+協(xié)議。在VLAN 1上，可能SW1是根橋，SW2的端口1被阻塞。在VLAN 10和VLAN 20上，SW2只能看到自己的PVSTBPDU，所以在這兩個VLAN上它認為自己是根橋。VLAN 10和VLAN 20的PVST BPDU會被SW1和SW3轉(zhuǎn)發(fā)，所以SW2檢測到這種環(huán)路后，會在端口2上阻塞VLAN 10和VLAN 20.這就是PVST+協(xié)議提供的STP/RSTP兼容性?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)中的二層環(huán)路能夠被識別并消除，強求根橋的一致性是沒有任何意義的。