ENSP Pro Lab笔记：配置STP/RSTP/MSTP（1）
1、STP概述
1.1 定义
生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP） 是一种以太网环路防护机制。
在存在冗余链路的网络中，设备通过运行生成树协议相互交换BPDU报文（Bridge Protocol Data Unit），自动发现网络中的环路，并有选择地阻塞部分端口，从而将原本存在环路的网络逻辑上修剪为无环的树形拓扑。
当网络中的链路或设备发生故障时，生成树协议还可以激活被阻塞的冗余链路，恢复网络连通性，实现链路备份与快速恢复。
1.2 目的
在以太网中，为了提升可靠性，常常设计冗余链路作为备份路径，但这同时带来了环路问题。
网络环路会导致：
广播风暴（Broadcast Storm）；
MAC地址表振荡；
链路及设备资源被大量占用；
严重时造成网络瘫痪。
为了解决上述问题，IEEE提出了三代生成树协议标准：
| 协议 | 标准号 | 特点 |
|---|---|---|
| STP | IEEE 802.1D | 生成树协议的最初版本，实现基本的环路检测与阻断 |
| RSTP | IEEE 802.1W | 在STP基础上改进，实现快速收敛 |
| MSTP | IEEE 802.1S | 支持多生成树，可实现VLAN级的负载分担与快速收敛 |
1.3 协议演进与特点
STP（Spanning Tree Protocol）
基于 IEEE 802.1D 标准；
所有 VLAN 共用一棵生成树；
收敛速度慢（通常需要 30～50 秒）；
配置简单，但存在带宽浪费。
RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）
基于 IEEE 802.1W 标准；
在 STP 基础上增加端口角色和状态优化机制；
实现秒级收敛；
仍然只支持单生成树，不支持VLAN级负载分担。
MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）
基于 IEEE 802.1S 标准；
将多个 VLAN 映射到不同的生成树实例，实现多路径负载均衡；
支持与 STP、RSTP 兼容；
配置复杂度较高，但具备最佳的可扩展性与灵活性。
1.4 三种生成树协议的对比
| 协议 | 收敛速度 | 流量转发 | 配置复杂度 |
|---|---|---|---|
| STP (IEEE 802.1D) | 最慢 | 所有 VLAN 共享一棵生成树 | 低 |
| RSTP (IEEE 802.1W) | 快 | 所有 VLAN 共享一棵生成树 | 低 |
| MSTP (IEEE 802.1S) | 快 | 支持 VLAN 与实例映射，多棵生成树独立转发 | 高 |
1.5 设备角色
生成树协议的核心目标是消除环路，构建一个无环的树形逻辑拓扑结构。树形结构必须有一个根节点，即根桥（Root Bridge，RB）。
根桥（Root Bridge）
根桥是整个生成树的逻辑中心，负责控制生成树的计算与路径选择。根桥的选举依据桥ID（Bridge ID），其中优先级最低、MAC地址最小的设备会被选为根桥。根桥的角色可能随着网络拓扑变化而动态变化。根桥是逻辑中心，不一定位于物理拓扑的中心位置。
非根桥（Non-root Bridge）
除根桥外，网络中的其他交换机均为非根桥设备。非根桥通过端口角色（根端口、指定端口、阻塞端口）参与生成树的形成与维护。根桥数量
在 STP/RSTP 网络中：全网仅有 一个根桥。
在 MSTP 网络中：每个实例（Instance）都能独立形成一棵生成树，因此可以存在多个根桥，实现不同VLAN流量的负载分担。
1.6 端口角色
1.6.1 端口角色
生成树协议通过为交换机端口分配不同的角色，实现环路的检测与阻断。各协议支持的端口角色如下表所示：
| 协议 | 端口角色 | 说明 |
|---|---|---|
| STP | 根端口（RP） | 非根桥上通往根桥的最优路径端口。 |
| 指定端口（DP） | 每个网段中负责转发流量的端口。 | |
| RSTP | 继承STP的RP、DP | —— |
| 备用端口（Alternate Port） | 通向根桥的备用路径端口，用于快速切换。 | |
| 备份端口（Backup Port） | 位于同一网段上，作为指定端口的备份。 | |
| 边缘端口（Edge Port） | 直接连接终端设备的端口，不参与生成树计算。 | |
| MSTP | 继承RSTP的所有端口角色 | —— |
| 主端口（Master Port） | 用于跨MST区域（Region）与外部区域通信。 | |
| 域边缘端口（Boundary Port） | 连接MST区域边界的端口，用于与CST或其他MST区域交互。 |
总结：
STP → RSTP → MSTP 的演进过程中，端口角色逐步丰富，以实现更快的收敛与更灵活的多实例管理。
RP与DP是所有生成树协议的核心端口角色；RSTP增加了快速切换机制相关的端口；MSTP则面向多区域场景扩展了跨域通信能力。
1.6.2 根端口（Root Port, RP）
根端口是通向根桥路径开销（Path Cost）最小的端口，用于接收来自根桥方向的生成树BPDU消息，并向根桥方向转发数据。
在运行 STP/RSTP 协议的设备上：
每台非根桥设备上仅有一个根端口；
根桥本身没有根端口，因为它就是路径的终点。
1.6.3 指定端口（Designated Port, DP）
指定端口与“指定桥（Designated Bridge）”的概念相对应，二者共同决定在一个网段（segment）中谁负责转发BPDU与用户数据。
| 分类 | 指定桥（Designated Bridge） | 指定端口（Designated Port） |
|---|---|---|
| 从单台设备视角 | 与本机直连、负责向本机发送配置BPDU的设备 | 指定桥用于向本机转发BPDU的端口 |
| 从局域网（LAN）视角 | 负责向本网段（Segment）转发BPDU的设备 | 指定桥用于向本网段转发BPDU的端口 |
🌉 一、Segment（网段）的概念
在生成树（STP/RSTP/MSTP）中，Segment 并不是 IP 层的子网，而是指：
二层网络中，一组通过物理链路互联的设备端口所构成的广播域中的一个“链路段（Link Segment）”。
举例：
如果两台交换机 SW1、SW2 之间用一根网线相连，这根链路就是一个 Segment；
如果是一台交换机通过 HUB 连接了多个节点，那么 HUB 那一侧所有端口属于同一个 Segment；
对生成树算法来说，每个 Segment 只允许一个“上游”出口来转发 BPDU 和用户数据。
🧭 二、指定桥（Designated Bridge）
每一个 Segment 上，生成树协议都会选出一个设备作为：
该 Segment 的 “管理者” 或 “发言人”，称为 指定桥（Designated Bridge）。
指定桥的职责：
负责为该 Segment 发送 BPDU；
代表该 Segment 与其他网段保持生成树拓扑的一致性；
从生成树角度看，Segment 的数据转发方向就是从指定桥指向其他设备。
🔌 三、指定端口（Designated Port）
在指定桥上，连接该 Segment 的那个端口被称为：
指定端口（Designated Port）。
所以：
每个 Segment 都对应唯一一个指定桥；
指定桥上连接该 Segment 的端口就是指定端口；
指定端口负责：
向该 Segment 发送 BPDU；
在拓扑收敛后负责转发用户数据。
🧩 四、HUB 与交换机的区别
HUB 互联部分：所有端口共享一个碰撞域，HUB 自身不理解 BPDU，不参与生成树算法。
所以在这种场景下，STP 认为整个 HUB 段是一个 单独的 Segment，BPDU 只在接入 HUB 的交换机端口之间比较。交换机互联部分：每个链路都是点到点的（point-to-point link），每一段物理链路就是一个独立的 Segment。
交换机会主动参与 BPDU 的发送和比较，决定哪个是指定桥和指定端口。
🔄 五、总结关系图
概念 作用 唯一性 说明 Segment 二层链路段 多个 交换机或HUB互联形成的广播段 Designated Bridge 负责该Segment的桥 每个Segment仅1个 代表该Segment对外发BPDU Designated Port Designated Bridge上连接该Segment的端口 每个Segment仅1个 负责转发BPDU和用户流量
💡一句话总结：
每个二层链路段（Segment），生成树协议都会选出一个指定桥（Designated Bridge），
它的**指定端口（Designated Port）**负责在该链路上发送 BPDU 和转发数据，
从而保证整个拓扑有且只有一个活跃转发路径。
1.6.4 备用端口（Alternate Port）
定义：
Alternate端口是根端口（Root Port）的备份端口，当根端口失效时，可迅速切换为新的根端口，实现快速收敛。功能：
提供一条从指定桥（Designated Bridge）到根桥（Root Bridge）的备用路径。状态特征：
由于端口接收到来自其他交换机的BPDU报文，判断自身不是最优路径而被阻塞（Discarding）。典型场景：
在两个交换机之间存在多条冗余链路时，非最优路径端口将成为Alternate端口。
1.6.5 备份端口（Backup Port）
定义：
Backup端口是指定端口（Designated Port）的备份端口，为同一交换机上通往同一网段的链路提供冗余通路。功能：
在指定端口失效时，可快速切换为转发状态，维持本网段的连通性。状态特征：
由于端口接收到自己发送的BPDU报文（说明本网段存在环路或冗余连接），而被阻塞（Discarding）。典型场景：
一台交换机的两个端口同时接入同一个集线器或共享网段时，主用端口为DP，另一个端口成为Backup端口。
1.6.6 边缘端口（Edge Port）
定义：
边缘端口是指直接连接终端设备（如主机、打印机、服务器等）的端口。
该类端口处于网络的最外层边界（Edge），不参与生成树计算，因此可直接进入转发（Forwarding）状态，无需等待STP收敛过程。特性：
边缘端口不会转发或接收生成树BPDU报文。
若误接入交换机或环路设备（收到BPDU），端口会自动退出边缘状态，以防止环路。
自动探测机制：
启用生成树协议后，设备默认开启**边缘端口自动探测（Auto Edge Detection）**功能：若端口在 (2 × Hello Time + 1) 秒内未收到BPDU报文，则自动判定为边缘端口；
若在此期间接收到BPDU报文，则将端口设置为非边缘端口。
手动配置优先级：
若管理员手动将端口配置为边缘端口，则自动探测功能将被禁用，该端口始终视为边缘端口。
1.6.7 MSTP 基本概念回顾
在 MSTP 网络中，生成树的结构层次如下：
MST 域（MST Region）：由配置相同的交换机组成，每个域内部独立计算生成树。
IST（Internal Spanning Tree）：每个 MST 域内部计算出的一棵生成树。
CST（Common Spanning Tree）：所有 MST 域之间计算出的生成树，用于连接各域。
CIST（Common and Internal Spanning Tree）：由 CST 与各 IST 共同组成的整体生成树。
总根（CIST Root）：CIST 的根桥，是整个 MSTP 网络的逻辑中心。
1.6.8 主端口（Master Port）
定义：
主端口是 MST 域中到达 CIST 总根路径开销最小的端口，是域内数据流向总根的唯一出口。功能：
主端口承担域内与域外之间的转发职责，确保本域流量能正确汇聚至 CIST 根桥。特征：
每个 MST 域中最多只有 一个 Master 端口；
在 CIST 拓扑上，Master 端口的角色为 根端口（Root Port）；
在 其他 MST 实例中，Master 端口被标识为 Master Port。
典型场景：
一个 MST 区域通过多条链路连接到上级骨干域时，只有一条最优链路的端口成为 Master 端口，其余链路端口为阻塞状态。
1.6.9 域边缘端口（Boundary Port）
定义：
域边缘端口是位于 MST 域边界，用于连接其他 MST 域或单实例生成树（如 STP/RSTP）网络的端口。功能：
承担不同域之间 BPDU 报文的交换；
作为 MST 域与外部生成树（CST）之间的边界桥接点。
关系说明：
Master 端口是一种特殊的域边缘端口；
Master 端口负责跨域通信并通向总根；
其他域边缘端口可能仅用于跨区域互连而非主干方向转发。
1.7 端口状态
1.7.1 STP端口状态
运行 STP（Spanning Tree Protocol） 的设备端口在不同阶段会处于不同状态，以确保网络逐步收敛并避免环路。
| 端口状态 | 说明 |
|---|---|
| Disabled | 端口处于关闭（Down）状态，不参与生成树计算，不处理BPDU报文，也不转发用户流量。 |
| Blocking | 端口仅接收并处理BPDU报文，用于环路检测，不转发任何用户流量。 |
| Listening | 过渡状态。端口开始参与生成树计算，可接收和发送BPDU报文，但仍不转发用户流量。 |
| Learning | 过渡状态。端口根据收到的用户流量开始学习并建立MAC地址表，可接收和发送BPDU报文，但仍不转发用户流量。 |
| Forwarding | 正常转发状态。端口可接收、发送BPDU报文并转发用户流量。只有**根端口（RP）和指定端口（DP）**才能进入此状态。 |
STP端口状态迁移机制：
- 端口Up或使能了STP，会从Disabled状态进入到Blocking状态。
- 端口被选举为根端口或指定端口，会进入Listening状态。
- 端口的Forward Delay定时器超时，会进入Learning/Forwarding状态。
- 端口不再是根端口或指定端口时，会进入Blocking状态。
- 端口Down或者去使能STP时，就进入Disabled状态。
1.7.2 RSTP/MSTP端口状态
相比于 STP 的 5 种端口状态，RSTP 和 MSTP 将端口状态精简为 3 种，以加快收敛速度并简化状态转换。
| 端口状态 | 说明 |
|---|---|
| Forwarding | 端口处于转发状态，可转发用户流量、学习MAC地址，并可发送和接收BPDU报文。 |
| Learning | 过渡状态。端口仅学习MAC地址表，可接收和发送BPDU报文，但不转发用户流量。 |
| Discardqing | 阻塞状态。端口仅接收BPDU报文，不学习MAC地址，也不转发用户流量。 |
1.7.3 对比说明
STP 5 状态 → RSTP/MSTP 3 状态
Discarding = STP 的 Blocking + Listening + Disabled
Learning 与 STP 的 Learning 对应
Forwarding 与 STP 的 Forwarding 对应
优势：
简化状态管理
消除了STP中 Forward Delay 定时器的依赖
结合握手机制（handshake）实现快速收敛
1.7.4 端口状态与端口角色对应关系
说明：
端口**状态（Forwarding / Learning / Discarding）与端口角色（RP/DP/Edge/Alternate/Backup）**是两个独立概念。
不同角色的端口支持的状态有所不同，具体如下表所示：
| 端口状态 | 根端口 / Master端口 | 指定端口 | 边缘端口 / 域边缘端口 | Alternate端口 | Backup端口 |
|---|---|---|---|---|---|
| Forwarding | Yes | Yes | Yes | No | No |
| Learning | Yes | Yes | Yes | No | No |
| Discarding | Yes | Yes | Yes | Yes | Yes |
关键点总结：
Forwarding 状态仅限可参与流量转发的端口（根端口、指定端口、边缘/域边缘端口）。
Learning 状态用于学习 MAC 地址，受端口角色限制（非备份/备用链路端口）。
Discarding 状态是环路保护状态，所有端口角色均可处于该状态。
端口角色决定端口功能和生成树拓扑作用，端口状态决定端口是否转发流量或学习 MAC。
1.8 BPDU 报文分类
BPDU（Bridge Protocol Data Unit） 是生成树协议交换信息的载体，不同协议使用不同类型的 BPDU 报文。
| BPDU 类型 | 用途 | 适用协议 |
|---|---|---|
| 配置 BPDU（Configuration BPDU） | 用于生成树计算和维护网络拓扑 | STP |
| RST BPDU | 用于生成树计算和维护网络拓扑 | RSTP |
| MST BPDU | 用于生成树计算和维护网络拓扑 | MSTP |
| TCN BPDU（Topology Change Notification） | 当网络拓扑发生变化时，通知其他设备进行 MAC 表刷新 | STP / RSTP / MSTP |
补充说明：
配置类 BPDU：用于选举根桥、计算路径开销、更新端口角色。
TCN BPDU：用于快速传播拓扑变化信息，保证 MAC 地址表及时更新，避免流量丢失。
RSTP 与 MSTP 在报文格式和携带字段上相对于 STP 有优化，以支持快速收敛和多实例管理。
1.9 生成树协议定时器（STP / RSTP / MSTP）
1.9.1 生成树协议定时器
BPDU 报文中包含与时间相关的字段，用于生成树计算、端口状态控制及网络收敛。主要定时器如下：
| 定时器 / 字段 | 作用 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|---|
| Hello Time | 根桥发送配置 BPDU 的间隔 | 2 秒 | 控制 BPDU 的发送频率，用于生成树拓扑维护。 |
| Forward Delay | 端口从 Listening → Learning → Forwarding 的过渡时间 | 15 秒 | 控制端口状态过渡，防止环路。 |
| Max Age | BPDU 最大寿命 | 20 秒 | 表示 BPDU 在网络中存活的最大时间，超过则丢弃，防止过时信息影响生成树计算。 |
| Message Age | BPDU 已经过的时间 | — | BPDU 报文携带字段，随着报文在网络中转发而累加，判断是否超过 Max Age。 |
补充说明：
定时器可手动配置，以满足不同网络规模和收敛需求。
RSTP / MSTP 对 Forward Delay 和 Max Age 的依赖减少，通过握手机制和快速状态切换实现更快收敛。
生成树定时器直接影响端口状态迁移与整个网络收敛时间，是理解生成树行为的关键参数。
1.9.2 STP 定时器详解
STP 使用多种定时器控制生成树计算、端口状态迁移和网络收敛，主要包括 Hello Time、Forward Delay、Max Age，以及 BPDU 报文携带的 Message Age。
1. Hello Time 定时器与超时时间
作用：根桥周期性向邻居发送 BPDU 报文，确认链路状态。
默认值：2 秒（可手动修改）
超时时间计算：
超时时间=Hello Time×3×Timer Factor
说明：
Timer Factor 缺省为 3，可手动调整。
当网络稳定后，Hello Time 只有在 根桥修改后 才会生效，新值通过 BPDU 广播到非根桥。
拓扑变化触发的 TCN BPDU 发送不受 Hello Time 管理。
2. Forward Delay 定时器
作用：控制端口状态过渡，防止临时环路。
默认值：15 秒
端口状态过渡：
Listening 状态持续 15 秒 → Learning 状态持续 15 秒 → Forwarding
关键机制：
新选出的根端口和指定端口不会立即转发流量。
通过 2 × Forward Delay 的延迟，让新的配置消息传播到全网，避免临时环路。
3. Max Age 定时器和 Message Age
Max Age：
作用：BPDU 报文老化时间，防止过时信息影响生成树。
默认值：20 秒（可手动配置）
根桥通过 BPDU 广播 Max Age 值，保证全网一致。
Message Age：
作用：记录 BPDU 从根桥到当前交换机的总时间。
规则：
Message Age ≤ Max Age：BPDU 继续转发。
Message Age > Max Age：BPDU 被丢弃，可能意味着网络直径过大或根桥连接失败。
实现细节：
根桥发出的配置 BPDU，Message Age = 0
每经过一台交换机，Message Age +1
4. 小结
Hello Time 控制 BPDU 发送间隔与链路故障检测
Forward Delay 控制端口从 Listening → Learning → Forwarding 的延迟，防止临时环路
Max Age + Message Age 保证 BPDU 老化机制有效，防止过时 BPDU 干扰生成树计算
1.10 根桥、根端口、指定端口的选举原则
1.10.1 BPDU 优先级向量
每台设备通过 BPDU 交互信息时，会携带四个关键字段，构成优先级向量：
{ Root ID, Root Path Cost, Bridge ID, Port ID }
| 字段名 | 含义 | 比较优先级 |
|---|---|---|
| Root ID | 当前认为的根桥标识 | 最高 |
| Root Path Cost (RPC) | 到根桥的累积路径开销 | 次高 |
| Bridge ID (BID) | 报文发送设备的标识（Priority + MAC） | 第三 |
| Port ID (PID) | 报文发送端口标识（Priority + Port No.） | 最低 |
💡 比较规则：从左到右依次比较，数值越小，优先级越高。
1.10.2 各角色的选举原则
1️⃣ 根桥（Root Bridge）
原则：BID 最小者为根桥。
BID 组成：
BID = Bridge Priority (16bit) + MAC Address (48bit)当桥优先级相同时，MAC 地址较小的设备胜出。
特点：
根桥上所有端口都是 指定端口（Designated Port）；
根桥没有根端口（Root Port）。
2️⃣ 根端口（Root Port）
定义：
每台 非根桥 上距离根桥路径开销最小的端口。选举逻辑：
比较 Root Path Cost（RPC） → 最小者为根端口；
若 RPC 相同 → 比较收到的 BPDU 中的 发送设备 BID；
若 BID 相同 → 比较 发送端口 PID；
若 PID 也相同（极少发生） → 按端口号最小者为根端口。
特点：
每台非根桥设备仅有 一个根端口；
根桥没有根端口。
3️⃣ 指定端口（Designated Port）
定义：
每个网络段（或链路）上负责转发该段数据的端口。选举逻辑：
比较该段（Segment）上各端口的 到根桥路径开销（RPC）；
若相同 → 比较 发送设备 BID；
若相同 → 比较 发送端口 PID；
PID 较小者为指定端口，PID 较大者阻塞。
特点：
每个网段（Segment）只有一个指定端口；
其他端口处于阻塞或备用状态。
路径开销（Path Cost）计算
定义：
端口到根桥的路径优劣衡量值。带宽越高，路径开销越小。根路径开销（RPC） = 所经过各段 Path Cost 之和。
1.11 STP/RSTP拓扑计算方法
1.11.1 基本原理
在一个启用了生成树协议的以太网中，所有设备（桥）会通过互相交换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit） 报文来协同计算出一个无环的树形拓扑结构。
生成树算法（STA, Spanning Tree Algorithm）的核心目标是：
选举出根桥（Root Bridge）；
确定各非根桥上的根端口（Root Port）；
确定每个网络段（Segment）上的指定桥（Designated Bridge）/指定端口（Designated Port）；
对冗余链路上的其他端口进行阻塞（Blocking），防止环路。
1.11.2 算法基本过程
（1）初始状态
网络刚启动时，每台启用 STP/RSTP 的设备都认为自己是根桥，因此：
发送的 BPDU 报文中：
根桥 ID（Root Bridge ID） = 本设备 BID（Bridge ID）；
根路径开销（RPC, Root Path Cost） = 0；
发送者 BID = 自身 BID；
发送端口 ID（PID） = 本端口 ID。
所有端口均处于“阻塞”或“侦听（Listening）”状态，仅参与 BPDU 交换，不转发用户流量。
（2）根桥选举
在 BPDU 交互过程中，设备之间会比较收到的“根桥 ID”：
BID（Bridge ID）最小的设备被选举为根桥；
根桥持续周期性发送 BPDU，以维持网络拓扑稳定；
非根桥在其 BPDU 中更新根桥信息，并计算到根桥的路径开销。
比较规则（优先级从高到低）
根桥 ID（Root Bridge ID）
根路径开销（Root Path Cost）
发送者 BID
发送端口 ID
（3）根端口与指定端口选举
| 步骤 | 过程说明 |
|---|---|
| 1 | 每台非根桥设备，从所有端口收到的配置 BPDU 中，选择“最优配置消息”的端口作为 根端口（Root Port）。 |
| 2 | 每个设备根据自己的根端口信息，为其余端口生成“指定端口配置消息”： • 根桥 ID = 根端口 BPDU 的根桥 ID； • 根路径开销 = 根端口路径开销 + 根端口到根桥路径开销； • 发送者 BID = 本设备 BID； • 发送端口 ID = 本端口 ID。 |
| 3 | 设备将计算出的配置消息与端口自身的配置消息进行比较： • 若计算出的配置消息更优，则该端口成为 指定端口（Designated Port），并周期性发送 BPDU； • 若端口自身的配置消息更优，则该端口被阻塞（Discarding / Blocking），仅接收不发送 BPDU。 |
（4）最优配置消息选择过程
| 步骤 | 过程说明 |
|---|---|
| 1 | 每个端口比较收到的配置 BPDU 与自身生成的 BPDU： • 若收到的 BPDU 优先级较低 → 丢弃； • 若收到的 BPDU 优先级较高 → 用其内容替换本端口配置； • 若相同 → 丢弃。 |
| 2 | 设备对所有端口的 BPDU 信息进行全局比较，选出最优配置消息，用于确定根端口。 |
（5）拓扑收敛
当所有设备完成根桥、根端口、指定端口的选举后：
根端口和指定端口进入 Forwarding 状态；
其他端口进入 Discarding（Blocking） 状态；
网络形成一个逻辑无环拓扑。
STP 收敛过程较慢（通常 30～50 秒），RSTP 通过引入 快速迁移机制（Proposal / Agreement） 可实现秒级收敛。