802.1s多生成树协议在模拟器中的仿真

廖伯勋

（广州工商学院，广东 广州 510850）

在中大型企业园区网中，大量交换机彼此连接形成较大的交换区块。为了消除单点故障带来的问题，交换机之间的连接通常会增加冗余链路，以提高网络的可靠性。然而二层交换机对主机在网络中的位置认知有缺陷，使得冗余链路形成的环路会导致严重问题。为了解决冗余链路带来的问题，802.1d标准的生成树协议被推出［1］。经过多年改进，最新版为802.1s多生成树协议，并在实际企业园区网络中广泛应用。然而802.1s多生成树协议原理比较抽象复杂，网络学习者在缺少实验设备的情况下很难理解。为了加深网络学习者对其工作原理的理解，掌握其配置命令，本文使用华为模拟器eNSP搭建网络拓扑，设计了802.1s多生成树协议仿真实验，使网络学习者不受设备的限制，随时随地进行实验，提高了网络学习者分析问题和实践操作能力。

一、802.1s多生成树协议分析

（一）二层交换环路引起的问题

交换机S1和S2之间连接了两条链路，形成了环路。该环路将引起广播风暴、MAC地址漂移等问题［2］，如图1所示。

图 1 交换机之间形成的环路

第一，MAC地址表项漂移。当PC1发送ARP请求时，交换机S1先根据ARP请求报文的二层源MAC地址建立MAC地址表项，随后对该报文进行转发。由于ARP请求报文为广播报文，交换机S1无法查询到与其匹配的表项，故S1会将该广播报文复制并发往除了接收接口（Ethernet0/0/1）以外的所有其他接口。假设交换机S2先从GE0/0/1接口接收到ARP请求报文，则建立PC1的MAC地址与GE0/0/1接口相关联的MAC地址表项，并从其他接口转发该数据帧。然后S2再从GE0/0/2接口接收到ARP请求报文，则建立PC1的MAC地址与GE0/0/2接口相关联的MAC地址表项。此时新的MAC地址表项立即覆盖了旧的MAC地址表项，从而产生“MAC地址表项漂移”的现象。而S2将GE0/0/1接收的ARP请求报文从GE0/0/2转回给S1，然后将GE0/0/2接收的ARP请求报文从GE0/0/1转回给S1，又会引起S1上的“MAC地址表项漂移”现象。

第二，广播风暴。网络层IP数据报中设置了TTL字段，TTL的值再经过三层设备转发后会递减。当TTL的值为0时，该IP数据报将被当前设备丢弃，从而防止网络层IP数据报因为环路而被无休止地转发。而二层交换机并无类似的机制，故前文提到的广播报文将在该网络中无休止地转发下去，形成“广播风暴”，消耗交换机S1和S2的CPU资源及网络带宽。

第三，MAC地址表项错误。由于“MAC地址表项漂移”现象的发生，交换机对PC1的认知频繁更新，并且都是错误的（交换机S1认为PC1连接在GE0/0/1或GE0/0/2两个接口中的其中一个，但实际上PC1只连接在S1的Ethernet0/0/1接口上）。这将导致其他设备将无法与PC1通信。

（二）生成树协议简介

二层环路引起的问题是由冗余链接产生的，解决这些问题的关键在于消除二层网络中的冗余链接。生成树协议正是通过在逻辑上阻塞冗余链接的方式，使交换机之间无法形成环路，从而生成一棵无环的“树”。此为“生成树”的由来。若只是为了形成无环的二层网络，则只需在网络建设之初舍弃冗余链接即可。但冗余链接是为了保证网络的可靠性，避免单点故障带来的网络中断。生成树协议并非只能静态地阻塞冗余链接，若当前激活的链路发生故障，生成树协议会将原来处于阻塞状态的链路激活，从而巧妙地修复了网络故障。

生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP），是由IEEE（电气与电子工程师协会）发布的一种通用标准协议，是一种网桥嵌套协议，主要用于解决冗余网络中的广播风暴问题［2］。

（三）生成树协议工作原理

STP一共经历了3个版本，分别为最初的802.1d生成树协议、改进的802.1w快速生成树协议和最新的802.1s多生成树协议。多生成树协议允许对流量进行分流并将其分配给不同的虚拟局域网，使每个虚拟局域网都满足生成树协议［3］。

第一，选举根桥。只有根桥才能发送BPDU，非根桥只能接收和转发根桥始发的BPDU。在一个交换区块中，开启了生成树协议的交换机都通过接口发送BPDU数据报文。通过比较BPDU中Root ID字段的值来选举根桥，该值为发送该BPDU交换机的Bridge ID。先比较Root ID中的优先级，较小者为根桥，如相同，则继续比较Root ID中的MAC地址，较小者为根桥。由于MAC地址全球唯一，最终一定能选出根桥。选出根桥之后，只能由根桥发送BPDU，非根桥接收和转发BPDU。

第二，选举根端口。非根桥从所有接口中选出一个作为根端口，用于接收根桥发来的BPDU。最多经过4个步骤，即可选出根端口。第一步，先比较接收到的BPDU中的Root ID字段的值。若一个接口收到的BPDU中的Root ID值最小，则该接口的角色为根端口。第二步，若Root ID相同，则进一步比较接口接收到的BPDU中的CoP字段的值加上接口本身的度量值之和，该值最小的接口为根端口。第三步，若该值仍相等，进一步比较Bridge ID。若一个接口收到的BPDU中的Bridge ID值最小，则该接口的角色为根端口。第四步，若Bridge ID相同，最后比较Port ID字段。先比较端口优先级，较小者为优，若端口优先级相同，再比较端口编号，较小者为优。由于同一设备上端口编号必不相同，故此步骤必定能选出跟端口。

第三，选举指定端口。在一台交换机上可以有多个指定端口，用于根桥发送BPDU，或者非根桥用来转发根桥发来的BPDU。选举办法与根端口类似，最多经过4个步骤，即可选出指定端口。与根端口选举不同的地方是，在第二步中，仅比较CoP字段的值即可，无须加上接口本身的度量值。

第四，确定非指定端口。非指定端口为阻塞端口。非根桥上除了根端口和指定端口，其他端口都是非指定端口。

二、802.1s多生成树协议在模拟器中的仿真

（一）网络拓扑

eNSP是华为官方的网络仿真工具平台，可对路由器、交换机等网络设备进行软件仿真，让广大网络学习者可以在缺少网络设备的情况下进行模拟实验。在eNSP中使用2台S5700作为汇聚层交换机、2台S3700作为接入层交换机，接入层交换机AS1和AS2分别与汇聚层交换机连接，其拓扑结构如图2所示。

图 2 802.1s多生成树协议仿真实验拓扑图

在以上拓扑中，接入层交换机AS1与汇聚层交换机DS1和DS2都有连接，DS1和DS2也有直连链路。三台设备组成环形结构，若不开启生成树协议，将容易引起广播风暴、MAC地址漂移等问题。

（二）仿真规划

假设该网络中有VLAN110、VLAN120、VLAN130、VLAN140等4个VLAN。为 了 充 分 利 用 链 路 带宽，将DS1设置为VLAN110和VLAN130的主根网桥，VLAN120和VLAN140备份根网桥；将DS2设置为VLAN120和VLAN140的 主 根 网 桥，VLAN110和VLAN130备份根网桥。

（三）配置步骤

第一，配置汇聚层交换机链路模式。在DS1和DS2上将彼此连接的链路接口，以及连接接入层交换机的接口配置成trunk模式，并放行相关的VLAN。配置如下，GE0/0/2和GE0/0/24的配置与GE0/0/1相同。

以上配置完成后，可用命令display port vlan 查看端口的vlan配置情况。

第二，配接入层交换机链路模式。在接入层交换机AS1和AS2上将上行链路配置为trunk模式，并放行相关VLAN。配置与上一步骤类似。可用命令display port vlan检查trunk端口的状态。

第三，创建VLAN。在各交换机上创建VLAN110、VLAN120、VLAN130和VLAN140。命令如下，以DS1为例。

［DS1］vlan batch 110 120 130 140

以上命令配置完成后，可用命令display vlan或display vlan summary查看VLAN信息。

第四，配置多生成树协议。在各交换机上配置stp region-configuration。具体命令如下，只列出DS1的配置，DS2、AS1和AS2的配置与AS1类似。

［DS1］stp mode mstp

［DS1］stp region-configuration //进入MST域配置视图

［DS1-mst-region］region-name gzgs //配 置MST域的域名为gzgs

［DS1-mst-region］revision-level 1 //配置MST域的修订级别为1

［DS1-mst-region］instance 1 vlan 110 130 //配置实例1与VLAN的映射关系

［DS1-mst-region］instance 2 vlan 120 140 //配置实例2与VLAN的映射关系

［DS1-mst-region］active region-configuration //激活MST域配置

第五，配置根网桥。将DS1配置为多生成树实例1的主根网桥，实例2的备份根网桥；将DS2配置为多生成树实例2的主根网桥，实例1的备份根网桥。

（四）仿真调试

第一，正常情况下的多生成树协议运行情况。在DS1上使用display stp instance 1命令查看多生成树协议实例1的状态，如图3所示。

图 3 DS1上的多生成树协议实例1的状态

图中显示，DS1的MSTI 1的Bridge ID与RegRoot ID一致，同 MSTI Root Type也显示Primary root，说明DS1为instance 1的根网桥。DS1的MSTI 2的Bridge ID与RegRoot ID不一致，优先级为4096，同时MSTI Root Type显示Secondary root，说明DS1为instance 2的备份根网桥。

在AS1上使用display stp brief查看的多生成树协议接口状态。如图4所示。

图 4 AS1上的多生成树协议接口状态

图中显示AS1上与DS1相连的GE0/0/1接口为多生成树协议实例1的根端口，同时与DS2相连的GE0/0/2接口为阻塞端口，即与实例1关联的VLAN10和VLAN30的流量通过GE0/0/1转发，而不能通过GE0/0/2接口转发。表明此时物理上的环型链路，已被多生成树协议从逻辑上进行了修剪，变成了树型的网络拓扑。

第二，模拟链路故障时，多生成树协议的运行情况。在DS1上，进入GE0/0/1接口，并使用命令shutdown关闭接口。观察多生成树协议的运行情况，如图5所示。

图 5 关闭DS1的GE0/0/1接口后AS1上的生成树协议端口角色变化

图中显示，由于DS1的GE0/0/1已关闭，导致该链路状态变为down，故AS1的GE0/0/2接口角色从原来ALTE转变为ROOT，端口状态从原来的阻塞（DISGARDING）状态转变为转发（FORWARDING）。由此可见，生成树协议能根据链路状态的变化，自动调整端口角色，以适应网络拓扑的变更，提高网络的可用性。

三、结语

对802.1s多生成树协议进行了分析，在eNSP模拟器上搭建了网络拓扑，进行了多生成树协议模拟仿真。完整配置命令较长，限于篇幅，只列出关键命令。仿真结果表明，802.1s多生成树协议通过多个生成树实例既保证了主备切换的高可靠性，又实现负载分担的高利用率［4］。