多生成樹(shù)協(xié)議MSTP在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

　　摘要： 本文從職業(yè)院校技能競(jìng)賽背景出發(fā)，結(jié)合實(shí)際訓(xùn)練實(shí)例，突破競(jìng)賽中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以銳捷公司的設(shè)備為載體，具體介紹了多生成樹(shù)協(xié)議MSTP在實(shí)例的運(yùn)用，來(lái)具體講解MSTP的原理和配置，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余和可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，這對(duì)于提升我校學(xué)生計(jì)算機(jī)技能比賽能力有重要的意義。
　　關(guān)鍵詞： 多生成樹(shù)協(xié)議MSTP 網(wǎng)絡(luò)冗余 負(fù)載均衡
　　1.實(shí)驗(yàn)背景
　　某企業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理員認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)的生成樹(shù)協(xié)議(STP)是基于整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有的VLANs都共享一個(gè)生成樹(shù)，這種結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)載均衡，使得有些交換設(shè)備比較繁忙，而另一些交換設(shè)備又很空閑。為了克服這個(gè)問(wèn)題，他決定采用基于VLAN的多生成樹(shù)協(xié)議MSTP，現(xiàn)要在交換機(jī)上做適當(dāng)配置來(lái)完成這一任務(wù)。
　　本實(shí)驗(yàn)采用4臺(tái)交換機(jī)設(shè)備，PC1和PC3在Vlan 10中，IP地址分別為172.16.1.10/24和172.16.1.30/24，PC2在Vlan 20中，PC4在Vlan 40中。
　　2.實(shí)驗(yàn)功能
　　在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余和可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡（分擔(dān)）。
　　3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備
　　接入層交換機(jī)S2126G （2臺(tái)）、分布層交換機(jī)S3550-24（2臺(tái)）
　　4.實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)背景
　　STP（生成樹(shù)協(xié)議）、RSTP（快速生成樹(shù)協(xié)議）、MSTP（多生成樹(shù)協(xié)議），這三個(gè)協(xié)議都是二層交換網(wǎng)絡(luò)中為了防止環(huán)路和實(shí)現(xiàn)鏈路冗余而設(shè)計(jì)的，下面介紹它們之間的區(qū)別與聯(lián)系。
　　STP、RSTP、MSTP基本概念：
　　4.1STP（802.1d）
　　STP協(xié)議生來(lái)就是為了冗余而存在的，單純樹(shù)型的網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供足夠的可靠性，由此我們引入了額外的鏈路，這才出現(xiàn)了環(huán)路這樣的問(wèn)題。但單純是標(biāo)準(zhǔn)的802.1D STP協(xié)議并不能實(shí)現(xiàn)真正的冗余與負(fù)載分擔(dān)。
　　STP為IEEE 802.1D標(biāo)準(zhǔn)，它內(nèi)部只有一棵STP tree，因此必然有一條鏈路要被blocking，不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，只有另外一條鏈路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，這條被blocking的鏈路才會(huì)接替之前鏈路所承擔(dān)的職責(zé)，做數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)論怎樣，總會(huì)有一條鏈路處于不被使用的狀態(tài)，冗余是有了，但是負(fù)載分擔(dān)是不可想象的。
　　cisco對(duì)STP做了改進(jìn)，它使得每個(gè)VLAN都運(yùn)行一棵stp tree，這樣第一條鏈路可以為vlan 1 2 3服務(wù)，對(duì)vlan 4 5 6 blocking，第二條鏈路可以為vlan 4 5 6 forwarding，對(duì)vlan 1 2 3關(guān)閉，無(wú)形中實(shí)現(xiàn)了鏈路的冗余，負(fù)載分擔(dān)。這種技術(shù)被稱(chēng)之為PVST+隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的STP協(xié)議無(wú)法滿足主備快速切換的需求，因?yàn)镾TP協(xié)議將端口定義了5種狀態(tài)，分別為：blocking listening learning forwarding disabling，想要從blocking切換至forwarding狀態(tài)，必須要經(jīng)過(guò)50秒的周期，這50秒我們只能被動(dòng)地去等待。20秒的blocking狀態(tài)下，如果沒(méi)有檢測(cè)到鄰居發(fā)來(lái)的BPDU包，則進(jìn)入listening，這時(shí)要做的是選舉Root Bridge、Designate Port、Root Port，15秒后，進(jìn)入learning，learning狀態(tài)下可以學(xué)習(xí)MAC地址，為最后的forwarding做準(zhǔn)備，同樣是15秒，最后到達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。這樣的延時(shí)在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下是讓人極為難以忍受的。
　　4.2RSTP（802.1w）
　　RSTP的出現(xiàn)解決了延時(shí)的問(wèn)題，它的收斂速度很快，當(dāng)然CISCO也針對(duì)這種技術(shù)推出了自己的RPVST+技術(shù)。RSTP在STP基礎(chǔ)上額外定義了兩種port role（注意這里的概念，端口角色），分別是alternate與backup。另外重新規(guī)定了port state（端口狀態(tài)），分別為discarding、Learning、Forwarding.
　　STP的一大失敗之處在于混淆了port role與port state兩種概念，在RSTP上，這樣的問(wèn)題不再存在了，port state與port role無(wú)關(guān)了。alternate port責(zé)任是為另一臺(tái)交換機(jī)上的鏈路作備份，而backup port是為本交換機(jī)上的端口作備。
　　RSTP最重要的變化在于對(duì)BPDU中type字段的利用上，之前STP只使用了其中的兩個(gè)位，另外6個(gè)位中實(shí)現(xiàn)了很多的功能，包括不再需要去等待50秒的時(shí)間完成主備切換，直接利用proposal與agreement協(xié)商即可，這樣大大縮短了收斂時(shí)間。
　　RSTP還定義了兩個(gè)新的概念：edge port與link type，如果是edge port，表明下面接的只能是主機(jī)，環(huán)路的存在是不可能的，所以我們可以直接將其從discarding切換到forwarding狀態(tài)，類(lèi)似于STP中的port fast技術(shù)。而link type定義了這條鏈路是point-to-point的還是shared。如果有pt-pt環(huán)境下，我們就可以快速地進(jìn)行切換了。
　　4.3MSTP（802.1s）
　　STP和RSTP都采用了一棵STP tree，負(fù)載分擔(dān)不可實(shí)現(xiàn)，而CISCO的PVST+與RPVST+采用了每個(gè)VLAN一棵生成樹(shù)，雖然實(shí)現(xiàn)了負(fù)載分擔(dān)，但是會(huì)占用非常多的CPU時(shí)間。這也正是MSTP（802.1s）產(chǎn)生的原因。
　　MSTP可以將多個(gè)VLAN的生成樹(shù)映射為一個(gè)實(shí)例，即vlan map to a instance，我們不需要那么多的生成樹(shù)，只需要按照冗余鏈路的條數(shù)來(lái)得出需要幾棵生成樹(shù)。
　　如果只有兩條鏈路，并且有1-1000個(gè)VLAN，我們可以將1-500定義為instance 1，將501-1000定義到instance 2。只生成兩棵樹(shù)1和2，同樣實(shí)現(xiàn)了冗余與負(fù)載分擔(dān)。
　　MSTP是基于RSTP的，沒(méi)有RSTP，MSTP是無(wú)法運(yùn)行的。
　　4.4STP、RSTP、MSTP的對(duì)比分析總結(jié)
　　4.4.1STP不能使端口狀態(tài)快速遷移，即使是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路或邊緣端口，也必須等待2 倍的Forward delay 的時(shí)間延遲，端口才能遷移到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
　　4.4.2RSTP可以快速收斂，但是和STP 一樣存在以下缺陷：局域網(wǎng)內(nèi)所有網(wǎng)橋共享一棵生成樹(shù)，不能按VLAN 阻塞冗余鏈路，所有VLAN 的報(bào)文都沿著一棵生成樹(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
　　4.4.3MSTP將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成為一個(gè)無(wú)環(huán)的樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，避免報(bào)文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無(wú)限循環(huán)，同時(shí)還提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的多個(gè)冗余路徑，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)VLAN 數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡。
　　4.4.4MSTP兼容STP 和RSTP，并且可以彌補(bǔ)STP 和RSTP的缺陷。它既可以快速收斂，又能使不同VLAN的流量沿各自的路徑分發(fā)，從而為冗余鏈路提供了更好的負(fù)載分擔(dān)機(jī)制。
　　5.實(shí)驗(yàn)步驟
　　第一步：配置接入層交換機(jī)S2126-A
　　【注意事項(xiàng)】
　　* 對(duì)規(guī)模很大的交換網(wǎng)絡(luò)可以劃分多個(gè)域（region），在每個(gè)域里可以創(chuàng)建多個(gè)instance（實(shí)例）；
　　* 劃分在同一個(gè)域里的各臺(tái)交換機(jī)須配置相同的域名（name）、相同的修訂號(hào)（revision number）、 相同的 instance-vlan 對(duì)應(yīng)表；
　　* 交換機(jī)可以支持65個(gè)MSTP instance，其中實(shí)例0是缺省實(shí)例，是強(qiáng)制存在的，其他實(shí)例可以創(chuàng)建和刪除；
　　* 將整個(gè)spanning-tree恢復(fù)為缺省狀態(tài)用命令spanning-tree reset 。
　　6.重點(diǎn)分析與總結(jié)
　　MSTP技術(shù)可以認(rèn)為是STP和RSTP技術(shù)的升級(jí)版本，除了保留低級(jí)版本的特性外，考慮到MSTP是基于VLAN的多生成樹(shù)協(xié)議，就是在多個(gè)VLAN各自設(shè)置生成樹(shù)協(xié)議，這樣就引入了實(shí)例和域的概念，實(shí)例為VLAN的組合，這樣就可以針對(duì)一個(gè)或多個(gè)VLAN進(jìn)行生成樹(shù)運(yùn)算，從而不會(huì)阻斷網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)保留的鏈路，同時(shí)讓各實(shí)例的數(shù)據(jù)經(jīng)由不同的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡。
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