生成树协议MSTP
生成树协议MSTP
1.1 MSTP引入
IEEE802.1D标准的提出早于VLAN的标准802.1Q，因此在STP中没有考虑VLNA的因素。而802.1w对应的RSTP仅对STP的机制进行了改进，其和STP一样属于单生成树（Single Spanning Tree，SST）协议。
计算STP/RSTP时，网桥上所有VLNA共享一棵生成树，无法实现不同VLAN在多条Trunk链路上的负载分担，而当某条链路被阻塞后将不会承载任何流量，造成了带宽的极大浪费。
上述缺陷是单生成树协议自身无法克服的，如果要实现VLAN间的负载分担需要用到MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol，多生成树协议）。
MSTP在IEEE的802.1s标准中定义，它即可以实现快速收敛，又可以弥补STP和RSTP的缺陷。MSTP能使不同VLAN的流量沿各自的路径转发，从而利用冗余链路提供了更好的负载分担机制。
MSTP的基本思想是：基于实例（Instance）计算出多棵生成树，每一个实例可以包含一个或多个VLAN，每一个VLAN只能映射一个实例。网桥通过配置多个实例，可以实现不同的VLAN组之间的负载分担。
1.2 MSTP的基本工作概念
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MST域
多生成树计算的前提是：将不同的VLAN映射到不同的实例中去，为了确保网桥之间多生成树协议计算的正确，这些网桥的VLAN和实例映射关系必须完全相同。在一个大型的网络中，可能不同的网桥属于不同的部门，而每个部门可能有不同的VLAN映射需求，无法使得所有网桥都配置相同的VLAN映射关系。
为了解决上述问题，可以将网络划分为多个域（MST域），将拥有相同VLNA映射关系以及其他属性的网桥放到同一个域中，域之间运行标准的RSTP。
MST域（MST Region）是指网络中具有相同域名、修订级别、摘要信息的网桥构成的一个集合。其中各MST域组成元素的含义如下：
（1）域名（Configuration Name）:本域名的名称，MSTP中每一个域都有一个独一无二的名称，配置不同域名的网桥被认为属于不同的域。
（2）修订级别（Revision Level）：目前保留，默认为0。
（3）配置摘要（Configuration Digest）：由网桥的VLAN和实例映射关系生成的长度为16字节的HMAC_MD5签名，如果两个网桥生成不同的配置摘要，则表示两个网桥有不同的VLNA和实例映射关系，说明两个网桥属于不同的MST域。
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CST、IST、CIST、总根和域根
CIST（Common and Internal Spanning Tree，公共和内部生成树）是整个网络所有设备经过生成树计算得到的一棵树。总根是整个网络中优先级最高的桥，是CIST的根桥。
CST（Common Spanning Tree，公共生成树）是连接网络内所有MST域的单生成树。如果把每个MST域看作是一个逻辑上的网桥，CST就是这些网桥通过STP/RSTP计算得到的一棵生成树，总根所处的域为CST的根桥。
IST的根桥即CIST的域根，是MST域内距离总根最近的桥，也称为Master桥。如果总根在该域中，则总根即为该域的CIST域根。
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MSTI和MSTI域根
一个MST域内可以通过MSTP生成多棵生成树，每棵生成树之间彼此独立。每棵生成树都称为一个MSTI（Multiple Spanning Tree Instance，多生成树实例）。
每一个MSTI映射一个或多个VLAN，并计算出一棵独立的生成树，其范围只限于域内。每一个MSTI都对应一个实例号，实例号从1开始，以区别实例号为0的IST。
MSTI的域根，是每一个MSTI上优先级最高的网桥。MST域内每个MSTI可以指定不同的根。
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MSTP中的端口角色
和STP和RSTP相比，MSTP增加了域的概念，所以在桥的角色上，MSTP增加了和域相关的Master桥，在端口角色上，MSTP增加了和域相关的域边界端口以及Master端口。
IST中距离总根最近的桥为Master桥，该桥为IST的根，Master桥指向总根的端口为Master端口。
MST域内网桥和其他MST域或STP/RSTP网桥相连的端口称为域边界端口，Master端口也是域边界端口，其在各域边界端口中距离总根最近。
如果把MST域看作逻辑上的一个网桥，域边界端口就为该网桥连接其他网桥的端口，其中，Master端口就是该网桥的根端口。
1.3 MSTP工作原理
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MSTP的BPDU格式
MST BPDU和RST BPDU的前36个字节的格式是相同的。其中，BPDU协议版本号为0x03，表示为MSTP协议；BPDU类型为0x02，表示为RST/MST BPDU。
RST BDPU中的Root ID字段在MSTP中表示CIST总根ID，EPC字段在MSTP中表示CIST外部路径开销，Bridge ID字段在MSTP中表示CIST域根ID，Port ID字段在MSTP中表示CIST指定端口ID。
CIST外部路径开销（External Path Cost，EPC）指发送此BPDU的网桥所属的域距离总根所属的域的CST路径开销。
从37字节开始是MST专有字段，包含以下几个字段。
（1）Version3 Length：长度为两个字节，表示MST专有字段的长度，该字段用于接收到BPDU后进行校验。
（2）MST配置标识（Configuration ID）：长度为51个字节，包含4个字段，其中，格式选择字段固定为0x00，其余3个字段用来判断网桥是否属于某MST域，包含前文介绍过的Configuration Name、Revsion Level和Configuration Digest。
（3）CIST内部路径开销（Internal Root Path Cost，IRPC）:长度为4个字节，表示发送此BPDU的网桥到达CIST域根的路径开销。
（4）CIST Bridge ID：长度为8个字节，表示发送此BPDU的网桥ID。
（5）CIST剩余跳数：长度为1个字节，用来限制MST域的规模。从CIST域根开始，BPDU每经过一个网桥的转发，跳数就被减1；网桥将丢弃收到的跳数为0的BPDU，使处于最大跳数外的网桥无法参与生成树的计算，从而限制了MST域的规模。剩余跳数默认值为20。
（6）MSTI Configuration Messages：包含0个或最多64个MSTI配置信息，MSTI配置信息数量由域内MST实例数决定，每一个MSTI配置信息长度为16字节。
MSTI配置信息中包含如下几个字段，这些字段信息只在本MST实例中有效，各MST实例中的这些字段值是相互独立的。
（1）MSTI Flag：长度为1个字节，从低位开始，第1位到第7位的定义和RSTP相同，第8位为Master标志位，表示网桥是否为Master 桥，取代RSTP中的TCA标志位。
（2）MSTI Region Root ID：长度为8个字节，表示该MST实例的域根的ID。其中，第1个字节的低4位和第2个字节的8位共12位表示该MST实例的ID。
（3）MSTI IRPC：长度为4个字节，表示发送此BPDU的网桥到达MSTI根域的路径开销。
（4）MSTI Bridge Priority：长度为1个字节，表示发送此BPDU的网桥，即指定桥的优先级。其中，高4位为优先级位，低4位固定为0。
（5）MSTI Port Priority：长度为1个字节，表示发送此BPDU的端口的优先级。其中，高4位为优先级位，低4位固定为0。
（6）MSTI剩余跳数：长度为1个字节，定义同CIST剩余跳数，表示BPDU在该MST实例中的剩余跳数。
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CIST优先级向量
MSTP计算可以分为CIST计算和MSTI计算两部分。其中，CIST计算依据的是CIST优先级向量的比较。
CIST优先级向量为{RootID:ERPC:RRootID:IRPC:DesignateBridgeID:DesignatePortID:RcvPortID}，优先级向量的比较原则为最小优先。具体比较原则如下：
（1）首先比较CIST总根ID，该ID小者为优。
（2）如果CIST总根ID相同则比较CIST外部路径开销，开销小者为优。
（3）如果CIST外部路径开销相同则比较CIST域根ID，域根ID小者为优。
（4）如果域根ID相同则比较CIST内部路径开销，开销小者为优。
（5）如果CIST内部路径开销相同则比较CIST指定桥ID，指定桥ID小者为优。
（6）如果指定桥ID相同则比较CIST指定端口ID，指定端口ID小者为优。
（7）如果上述参数都相同则比较CIST接收端口ID，接收端口ID小者为优。
经过CIST计算，最后可以生成一棵贯穿整个网络的生成树。
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MSTI优先级向量
MSTI计算依据的是MSTI优先级向量的比较。
MSTI优先级向量为{RRootID:IRPC:DesignateBridgeID:DesignatePortID:RcvPortID},优先级响亮的比较的原则为最小最优。具体比较原则如下：
（1）首先比较MSTI域根ID，域根ID小者为优。
（2）如果域根ID相同则比较MSTI内部路径开销，开销小者为优。
（3）如果MSTI内部路径开销相同则比较MSTI指定桥ID，指定桥ID小者为优。
（4）如果指定桥ID相同则比较MSTI指定端口ID，指定端口ID小者为优。
（5）如果上述参数都相同则比较MSTI接收端口，接收端口ID小者为优。
每一个MSTI都进行独立的比较计算，最后在域内生成多棵独立的生成树。
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MSTP计算方法
从前面MSTP BPDU格式的介绍可以知道，每个BPDU既包含CIST计算所需的信息，也包含MSTI计算所需要的信息。MSTI的计算不需要再单独发送BPDU，也不需要任何定时器参数，当网桥在域内进行IST计算时，域内的每棵MSTI树也同时计算生成了。
CST和IST的计算方式和RSTP类似。在进行CST计算时，会将MST域看作逻辑上的一个网桥，其中，网桥的ID为IST域根的ID。
当网桥收到BPDU并判断来自不同域后，不会解析MST专有字段的信息，因此MSTI的计算仅限于区域内。由于网桥端口在不同的实例中可能具有不同的角色，所以可能会出现网桥端口既会接收BPDU，也会发哦是那个BPDU的情况，这是MSTP端口收发BPDU和RSTP端口收发BPDU的区别。
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CST计算过程
如图1-1所示，假设网络中S1优先级最高，且各链路开销相同，则CIST计算过程如下：
（1）初始时，每一个域“网桥”由域内优先级最高的网桥表示，此时该优先级最高的网桥为CIST域根，该域“网桥”向其他域发送以该域根为总根的BPDU，EPC为0。
（2）经过RSTP计算可以确定域“根网桥”，该域中包含整个网络优先级最高的网桥，即CIST总根，图中为S1。
（3）经过比较EPC可以确定每个域“网桥”的端口角色，域“网桥”的“根端口“即为域的Master端口，该Master端口所在网桥即为新的CIST域根。
（4）一个域可能有多个域边界端口，在确定Master端口后，通过比较BPDU的优先级，可以确定域边界端口角色为指定端口、Alternate端口或是Backup端口。
（5）阻塞域之间的Alternate端口和Backup端口。
图1-1 CST 计算 -
IST计算
CST计算完成后，确定了CIST域根，其中，Regionl1的域根为S1，Region2的IST域根为S2，Region3的IST域根为S3，Region4的域根为S4。需要注意，此时IST域根不一定是域中优先级最高的网桥，而是域中距离总根最近的网桥，即Master端口所在的网桥。
域内以CIST根域为根桥，结合IRPC确定各网桥端口的角色，最终得到IST。IST计算所需要比较的优先级向量包含{域根:IRPC:指定桥ID:指定端口ID:接收端口ID}。
IST计算过程如下
（1）域内网桥通过比较IRPC确定网桥的IST根端口。
（2）网桥通过比较BPDU的优先级确定IST上的指定端口、Alternate端口和Backup端口。
（3）网桥阻塞IST上的Alternate端口和IST Backup端口。
每一个域都进行相同的计算，得到每一个域的IST，结合之前域间计算得到的CST，最终得到整个网络的CIST。
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MSTI计算过程
在IST计算过程中，网桥通过交互BPDU中的BPDU中的MST配置信息可以同时确定各MST实例的根桥以及端口角色。
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MSTP计算结构
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MSTP和RSTP的互操作
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MSTP的P/A机制
MSTP支持RSTP中的所有快速收敛机制，其中，MSTP的P/A机制和RSTP有所不同。
在RSTP中，上游网桥指定端口发送Proposal置位的BPDU，下游网桥执行同步操作后回应Agreement置位的BPDU，上游网桥收到Agreement置位的BPDU后其指定端口可以立即进入转发状态。
