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生成树协议概述

生成树协议的工作原理

如果引入环路，以太网网络很容易受到广播风暴的影响。但是，以太网网络需要包括环路，因为它们在链路故障时提供冗余路径。生成树协议解决了这两个问题，因为它们提供了链路冗余，同时防止了不需要的环路。

瞻博网络设备通过生成树协议 （STP）、快速生成树协议 （RSTP）、多生成树协议 （MSTP） 和 VLAN 生成树协议 （VSTP） 提供第 2 层环路防护。RSTP 是用于防止以太网网络上出现环路的默认生成树协议。

本主题介绍：

使用生成树协议的优势

生成树协议具有以下优点：

  • 提供链路冗余，同时防止不必要的环路

  • 防止广播风暴

  • 使用边缘端口连接到不支持 STP 的设备，例如未连接到其他交换机的 PC、服务器、路由器或集线器

生成树协议有助于防止广播风暴

生成树协议通过创建整个桥接网络的树拓扑（生成树），在树根和叶之间只有一条可用路径，从而智能地避免网络中的环路。所有其他路径都将强制进入待机状态。树 根 是由 STA（生成树算法）选择的网络内交换机，用于计算整个网络网桥与根网桥之间的最佳路径。帧通过网络沿分支传输到其目标位置（如最终用户 PC）的 叶 。树 枝 是网桥之间的网段或链路。通过 STP 生成树转发帧的交换机称为 指定网桥。

注意：

如果您将 Junos OS 用于支持增强型第 2 层软件 （ELS） 配置样式的 EX 系列和 QFX 系列交换机，则可以通过设置强制版本来强制运行原始 IEEE 802.1D 生成树协议 （STP） 版本以代替 RSTP 或 VSTP。

了解选择根网桥和指定网桥的网桥优先级

使用网桥优先级可以控制将哪个网桥选为根网桥，还可以控制在初始根网桥发生故障时将哪个网桥选为根网桥。

每个生成树协议实例的根网桥由网桥 ID 确定。网桥 ID 由可配置的网桥优先级和网桥的 MAC 地址组成。具有最低网桥 ID 的网桥被选为根网桥。如果网桥优先级相等或未配置网桥优先级，则 MAC 地址最低的网桥将被选为根网桥。

网桥优先级还可用于确定哪个网桥成为 LAN 网段的指定网桥。如果两个网桥到根网桥的路径开销相同，则网桥 ID 最低的网桥将成为指定的网桥。

网桥优先级只能以 4096 为增量进行设置。

端口角色决定参与生成树

每个端口都有角色和状态。端口 的角色 决定了它如何参与生成树。RSTP 中使用的五个端口角色是：

  • 根端口 - 最靠近根网桥的端口（距离网桥的路径成本最低）。这是从根网桥接收帧并将其转发到根网桥的唯一端口。

  • 指定端口 — 将流量从根网桥转发到叶的端口。指定网桥为其服务的每个链路连接都有一个指定的端口。根网桥从其所有端口转发帧，这些端口用作指定端口。

  • 备用端口 — 在根端口发生故障并处于丢弃状态时提供指向根网桥的备用路径的端口。此端口不是活动生成树的一部分，但如果根端口发生故障，备用端口会立即接管。

  • 备份端口 — 如果指定端口发生故障并处于丢弃状态，则提供朝向生成树叶叶的备份路径的端口。仅当两个或多个网桥端口连接到同一 LAN（网桥用作指定网桥）时，才能存在备份端口。如果端口发生故障，指定端口的备份端口会立即接管。

  • 禁用端口 — 端口不是活动生成树的一部分。

端口状态确定端口如何处理帧

每个端口都有状态和角色。端口 的状态 决定了它处理帧的方式。RSTP 将指定网桥的每个端口置于以下三种状态之一：

  • 丢弃 — 端口丢弃所有 BPDU。处于此状态的端口会丢弃它接收的所有帧，并且不会学习 MAC 地址。

  • 学习 — 端口通过检查接收到的帧以获取位置信息来准备转发流量，以便构建其 MAC 地址表。

  • 转发 — 端口过滤和转发帧。处于转发状态的端口是活动生成树的一部分。

边缘端口连接到不能属于生成树的设备

生成树还定义了边缘端口的概念， 边缘端口是连接到不支持 STP 的设备（如 PC、服务器、路由器或未连接到其他交换机的集线器）的指定端口。由于边缘端口直接连接到终端站，因此无法创建网络环路，可以立即转换为转发状态。您可以手动配置边缘端口，交换机还可以通过记录终端站没有通信来检测边缘端口。

边缘端口本身会将 BPDU 发送到生成树。如果您非常了解这对网络的影响，并希望修改边缘端口接口上的 RSTP。

BPDU 维护生成树

生成树协议使用称为桥接协议数据单元 （BPDU） 的帧来创建和维护生成树。BPDU 帧是从一台交换机发送到另一台交换机的消息，用于传达有关自身的信息，例如其网桥 ID、根路径成本和端口 MAC 地址。交换机之间 BPDU 的初始交换决定了根网桥。同时，BPDU 用于根据端口速度或用户配置来传达分支设备之间每个链路的成本。RSTP 使用此路径开销来确定数据框从一个叶传输到另一个叶的理想路径，然后阻止所有其他路径。如果边缘端口收到 BPDU，它会自动转换为常规 RSTP 端口。

当网络处于稳定状态时，当生成树算法 （STA） 同时识别根网桥和指定网桥，并且所有端口都处于转发或阻止状态时，生成树将收敛。为了维护树，根网桥继续以 呼叫时间间隔 （默认为 2 秒）发送 BPDU。这些 BPDU 继续通信当前的树拓扑。当端口收到 hello BPDU 时，它会将信息与已为接收端口存储的信息进行比较。当交换机收到 BPDU 时，将执行以下三种操作之一：

  • 如果 BPDU 数据与 MAC 地址表中的现有条目匹配，则该端口会将名为 “最大年龄” 的计时器重置为零，然后将包含当前活动拓扑信息的新 BPDU 转发到生成树中的下一个端口。

  • 如果 BPDU 中的拓扑已更改，则 MAC 地址表中的信息将更新， 最大期限 再次设置为零，并将新的 BPDU 与当前活动拓扑信息一起转发到生成树中的下一个端口。

  • 当端口三次未收到 BPDU 时，它会以两种方式之一做出反应。如果端口是根端口，则对生成树进行完全返工 — 请参阅 RSTP 根网桥失败时。如果网桥是任何非根网桥，RSTP 会检测到连接的设备无法发送 BPDU，并将该端口转换为边缘端口。

当根网桥发生故障时

当指向根端口的链接断开时，将向 BPDU 添加一个称为拓扑更改通知 （TCN） 的标志。当此 BPDU 到达 VLAN 中的下一个端口时，将刷新 MAC 地址表，并将 BPDU 发送到下一个网桥。最终，VLAN 中的所有端口都已刷新其 MAC 地址表。然后，RSTP 配置新的根端口。根端口或指定端口发生故障后，备用端口或备份端口将在交换 BPDU（称为提议-协议握手）后接管。RSTP 通过点对点链路传播此握手，点 对点链路是两个网络节点或交换机之间的专用链路，可将一个端口连接到另一个端口。如果本地端口成为新的根端口或指定端口，它将使用提议协议握手与最近相邻交换机上的接收端口协商快速转换，以确保无环路拓扑。

设备必须在链路故障后重新学习 MAC 地址

由于链路故障会导致所有关联的端口刷新其 MAC 地址表，因此网络在泛洪以重新学习 MAC 地址时可能会变慢。有一种方法可以加快这种重新学习过程。在 TCN 传播期间，交换机的第 2 层转发表会被刷新，从而导致数据包泛滥。地址解析协议 （ARP） 功能会导致交换机主动发送 ARP 缓存中 IP 地址的 ARP 请求（由于第 3 层 VLAN 接口而存在）。启用 STP 上的 ARP 后，当回复通过时，交换机会构建第 2 层转发表，从而限制以后的泛洪。在 STP 上启用 ARP 对于防止使用 RVI 的大型第 2 层网络中出现过度泛洪最有用。

注意：

ARP 功能在支持增强型第 2 层软件 （ELS） 配置样式的 EX 系列交换机的 Junos OS 上不可用。

参见

选择生成树协议

选择生成树协议时，请考虑两个基本问题：

  • 我需要哪些 STP 功能？

  • 将使用什么交换机或路由器？

生成树特征的比较

表 1 介绍了生成树协议 STP、RSTP、MSTP 和 VSTP 之间的差异。

表 1：选择生成树协议
协议 优点缺点

RSTP

  • 快速生成树协议是默认的交换机配置，建议用于大多数网络配置，因为它在发生故障后比 STP 收敛得更快。

  • 与使用 STP 相比，RSTP 的语音和视频效果更好。

  • RSTP 向后兼容 STP;因此，并非所有交换机都必须运行 RSTP。

  • RSTP 支持的端口多于 MSTP 或 VSTP。

  • 在 MX 和 ACX 路由器上，您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口。

提示：

set rstp interface使用配置语句指示哪些逻辑接口参与 RSTP。看到

.
提示：

如果 RSTP 已强制作为原始 STP 版本运行，则可以通过 从强制 IEEE 802.1D STP 恢复为 RSTP 或 VSTP 来恢复到 RSTP。

Stp

  • 生成树协议适用于 802.1D 1998 网桥。

  • RSTP 向后兼容 STP;因此，您可以通过 802.1D 1998 网桥在某些交换机上运行 RSTP，而在另一些交换机上运行 STP。

  • STP 和 RSTP 仅限于任何物理接口上的单个实例。使用该 set stp interface 语句配置参与 RSTP 实例的接口。

  • STP 比 RSTP 慢。

  • 不建议将 STP 用于多个 VLAN 网络，因为它不是 VLAN，因此，LAN 中的所有 VLAN 共享同一个生成树。这限制了数据流量的转发路径数。请改用 MSTP。

  • 尽管 STP 提供了基本的环路防御功能，但在拓扑发生变化时，它不能提供快速的网络收敛。用于确定网络状态转换的 STP 过程比 RSTP 过程慢，因为它是基于计时器的。RSTP 收敛速度更快，因为它使用基于点对点链路的握手机制，而不是 STP 使用的基于计时器的过程。

  • 配置原始 IEEE 802.1D STP 时，不支持边缘端口。如果在层次结构级别指定edge[edit protocols stp]，软件将忽略该选项。
提示：

使用该set stp interface语句配置接口以参与 STP 实例。请参阅在 EX 系列交换机上配置 STP （CLI 过程）。

MSTP

  • 多生成树协议适用于大多数 VLAN。

  • MSTP 支持单个物理接口上的多个实例。

  • 在 MX 和 ACX 路由器上，您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口。

  • 某些协议需要 MSTP 未提供的兼容性。在这种情况下，请使用 VSTP。

  • MSTP 支持的端口数量有限。一个 MSTP 区域最多支持 64 个 MSTI，每个实例支持 1 到 4094 个 VLAN

  • MSTP 比 RSTP 使用更多的 CPU，并且收敛速度不如 RSTP。
提示：

set mstp interface使用配置语句指示哪些逻辑接口参与 MSTP。请参阅在交换机上配置 MSTP。

VSTP

  • VSTP 适用于需要设备兼容性的 VLAN。在可以接收 VSTP 网桥协议数据单元 （BPDU） 的所有 VLAN 上启用 VSTP。

  • VSTP 和 RSTP 是唯一可以在交换机上并发配置的生成树协议。

  • 对于 VSTP，可以在全局级别或 VLAN 级别配置接口。将为所有已配置的 VLAN 启用在全局 VSTP 级别配置的接口。如果接口同时在全局和 VLAN 级别配置，则 VLAN 级别的配置将覆盖全局配置。

  • 在 MX 和 ACX 路由器上，您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口。

  • 使用 VSTP，每个 VLAN 只能有一个 STP 实例，其中 MSTP 允许您在一个实例中组合多个 VLAN。

  • 与 RSTP 相比，VSTP 支持的端口数量有限。

  • 您最多可以为 509 个 VLAN 配置 VSTP。但是，拥有大量 VSTP 和 RSTP 实例可能会导致拓扑不断更改。作为性能解决方法，请将 VSTP 实例数减少到少于 190 个。

  • 不支持对 RSTP 和 VSTP 使用相同的 VLAN。例如，如果要在 VSTP 下配置 VLAN，则不支持使用包含相同 VLAN 的接口配置 RSTP。

  • 如果同时配置 VSTP 和 RSTP，并且交换机的 VLAN 超过 253 个，则仅为前 253 个 VLAN 配置 VSTP。对于其余 VLAN，仅配置 RSTP。

  • 使用命令配置 set protocol vstp vlan vlan-id interface interface-name VSTP 时，将排除名为 default 的 VLAN。您必须使用名称 default 手动配置 VLAN 才能运行 VSTP。
提示：

使用 VSTP 时，我们建议您在可以接收 VSTP 桥接协议数据单元 （BPDU） 的所有 VLAN 上启用 VSTP。

提示：

使用命令配置 set protocol vstp vlan all VSTP 时，不会设置 VLAN ID 1;将其排除，以便配置与 Cisco PVST+ 兼容。如果希望 VLAN ID 1 包含在交换机的 VSTP 配置中，则必须使用 set protocol vstp vlan 1 命令单独设置。有关详细信息，请参阅知识库文章 KB15138 和 KB18291 at https://kb.juniper.net/InfoCenter/index
提示：

交换机上 VSTP 支持的最大 VLAN 数取决于您使用的是支持增强型第 2 层软件 （ELS） 配置样式的 EX 系列和 QFX 系列交换机的 Junos OS，还是不支持 ELS 的 Junos OS。

您可以在同一网络中将瞻博网络交换机与 VSTP 配合使用，将思科交换机与 PVST+ 和 Rapid-PVST+ 配合使用。思科支持专有的每 VLAN 生成树 （PVST） 协议，该协议为每个 VLAN 维护一个单独的生成树实例。每个 VLAN 一个生成树可实现精细的负载平衡，但随着 VLAN 数量的增加，需要更多的 BPDU CPU 处理。PVST 在瞻博网络不支持的思科专有 ISL 中继上运行。瞻博网络交换机仅与 PVST+ 和 Rapid-PVST+ 互操作。

提示：

生成树协议都会生成自己的 BPDU。在 PC 上运行的用户桥接应用程序也可以生成 BPDU。如果交换机上运行的 STP 应用程序拾取这些 BPDU，则可能会触发 STP 误判，而这些误判可能导致网络中断。请参阅 在生成树接口上配置 BPDU 保护。
注意：

如果要为任何生成树协议（STP、MSTP、RSTP 和 VSTP）配置接口，则在使用家族选项配置flexible-vlan-tagging接口时，vlan allinterface all、 和vlan-group选项将不可用。

交换机和路由器生成树支持和限制

并非所有交换机和路由器都支持完全相同的功能和配置。 表 2 中列出了已知差异。

表 2：生成树硬件注意事项

路由器或交换机

考虑

MX 系列路由器

只有 MX 系列路由器可以使用虚拟交换机路由实例类型将 LAN 分段与其生成树实例隔离，并分离其 VLAN ID 空间。请参阅 在 MX 系列路由器上配置虚拟交换机路由实例

跟踪和全局跟踪在具有全局 traceoptions 语句的 ACX 和 MX 路由器上可用 — 请参阅 了解生成树协议跟踪选项。

从版本 14.1R1 开始，MX 系列路由器支持以下 STP 日志增强功能：

  • 在内部环形缓冲区中记录有关生成树（如 STP、MSTP、RSTP 或 VSTP）接口角色或状态更改等事件的信息，而无需配置 STP 跟踪选项。

  • 捕获有关触发生成树角色或状态更改的原因的信息。

在 MX 和 ACX 路由器上，您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口，以实现比原始 STP 版本更快的收敛速度。边缘端口直接过渡到转发状态，因此协议无需等待边缘端口接收 BPDU。

在提供商网络中运行 RSTP 或 MSTP 的 MX 系列路由器上，您可以在 RSTP 或 MSTP 实例中启用提供商桥参与 — 请参阅 了解 RSTP 或 MSTP 实例中的提供商桥参与。

提示：

对于 MX 系列和 M 系列路由器上的 802.1ad 提供商桥接网络（堆叠 VLAN），单标记接入端口和双标记中继端口可以在单个生成树上下文中共存。在此模式下，VLAN 生成树协议 （VSTP） 可以在千兆以太网 （ge）、10 千兆以太网 （xe） 和聚合以太网 （ae） 接口上发送和接收未标记的快速生成树协议 （RSTP） 桥接协议数据单元 （BPDU）。未标记的 RSTP BPDU 与通过双标记中继端口发送的标记的 VSTP BPDU 互操作。双标记对互联网服务提供商非常有用，允许他们在内部使用 VLAN，同时混合来自已标记 VLAN 的客户端的流量。

ACX 系列路由器

在 MX 和 ACX 路由器上，您可以将 RSTP、MSTP 和 VSTP 实例接口配置为边缘端口，以实现比原始 STP 版本更快的收敛速度。边缘端口直接过渡到转发状态，因此协议无需等待边缘端口接收 BPDU。

跟踪和全局跟踪在具有全局 traceoptions 语句的 ACX 和 MX 路由器上可用 — 请参阅 了解生成树协议跟踪选项。

QFX 系列交换机

请参阅 配置 STP。

如果您的网络包含 IEEE 802.1D 1998 网桥，请移除 RSTP 并显式配置 STP — 请参阅 强制 RSTP 或 VSTP 以 IEEE 802.1D STP 身份运行（CLI 过程）。显式配置 STP 时，QFX 系列产品将使用 IEEE 802.1D 2004 规范，强制版本 0。此配置运行与经典基本 STP 兼容的 RSTP 版本。如果使用虚拟 LAN （VLAN），则可以在网络上启用 VSTP。

为 QFX 系列提供的 STP 支持包括：

  • IEEE 802.1d

  • 802.1w RSTP

  • 802.1s MSTP

在 QFX 系列的网络侧使用快速生成树协议 （RSTP），可提供比基本生成树协议 （STP） 更快的收敛时间。RSTP 将某些链路识别为点对点。当点对点链路发生故障时，备用链路可以转换为转发状态，从而加快收敛速度。

可以将接口配置为根保护或环路保护，但不能同时配置两者。

在运行支持 ELS 的 Junos OS 的 EX 系列（EX9200 除外）和 QFX 系列交换机上，VSTP 最多可支持 510 个 VLAN。

如果您的 EX 系列或 QFX 系列交换机与运行快速每 VLAN 生成树（快速 PVST+）的 Cisco 设备互操作，我们建议您在 EX 系列或 QFX 系列接口上同时启用 VSTP 和 RSTP。

EX 系列交换机

  • EX 系列交换机有两个版本。请确保对每个版本使用正确的命令。某些 EX 交换机运行的瞻博网络 Junos 操作系统 （Junos OS） 支持增强型第 2 层软件 （ELS） 配置（例如，EX4300、EX2300、EX3400 和 EX4600 支持 ELS），有些则不支持 ELS 配置。

  • 配置为使用 STP 的 EX 系列交换机实际运行与 STP 兼容的 RSTP 强制版本 0。如果您使用的是支持 ELS 的 EX 系列交换机的 Junos OS，则可以强制运行原始 IEEE 802.1D 生成树协议 （STP） 版本来代替 RSTP 或 VSTP。请参阅强制 RSTP 或 VSTP 以 IEEE 802.1D STP 身份运行（CLI 过程）。

  • 在运行支持 ELS 的 Junos OS 的 EX 系列（EX9200 除外）和 QFX 系列交换机上，VSTP 最多可支持 510 个 VLAN。但是，在 EX9200 交换机上，VSTP 最多只能支持 253 个 VLAN。

  • EX 系列交换机 EX4300、EX4600 和 QFX 平台QFX5100、QFX3500 QFX3600在 VSTP 上支持 510 VLAN。

  • 在 EX9200 交换机上，VSTP 最多可支持 4000 个 VLAN。

  • 在运行不支持 ELS 的 Junos OS 的 EX 系列交换机上，VSTP 最多可支持 253 个 VLAN。

  • EX4300 交换机只能通过启用 RSTP 并强制其充当 STP 来进行配置 STP。从“RSTP 配置”页中选中“强制 STP”复选框。

  • 可以将接口配置为根保护或环路保护，但不能同时配置两者。

  • 如果您的 EX 系列或 QFX 系列交换机与运行快速每 VLAN 生成树（快速 PVST+）的 Cisco 设备互操作，我们建议您在 EX 系列或 QFX 系列接口上同时启用 VSTP 和 RSTP。

  • ARP 功能不适用于支持增强型第 2 层软件 （ELS） 配置样式的 EX 系列交换机。
提示：

EX 系列交换机在 VSTP 上最多可以有 253 个 VLAN。因此，要拥有尽可能多的生成树协议 VLAN，请同时使用 VSTP 和 RSTP。然后，RSTP 将应用于超出 VSTP 限制的 VLAN。由于默认情况下启用 RSTP，因此只需另外启用 VSTP。

QFabric

虽然无需在 QFabric 系统中运行 STP，但您可以将一个 QFabric 系统连接到另一个第 2 层设备并使用 STP。只能在网络节点组上处理 STP 流量。其他节点组（如冗余服务器节点组和服务器节点组）会丢弃 STP 桥接协议数据单元 （BPDU） 流量并自动禁用接口。服务器节点组仅处理面向主机的协议，而网络节点组处理所有受支持的协议。

SRX 系列防火墙

  • 仅通过 STP、RSTP 或 MSTP 提供第 2 层环路防护。SRX 平台不支持 VSTP。

  • SRX 系列防火墙有两个版本。请确保对每个版本使用正确的命令。某些 SRX 系列防火墙运行的瞻博网络 Junos 操作系统 （Junos OS） 支持增强型第 2 层软件 （ELS） 配置，有些则不支持 ELS 配置。

  • 从 Junos OS 15.1X49-D70 版开始，SRX300、SRX320、SRX340、SRX345、SRX550M 和 SRX1500 设备支持生成树协议 （STP）。从 Junos OS 15.1X49-D40 版到 Junos OS 15.1X49-D60 版不支持生成树协议 （STP）。

  • 可以将接口配置为根保护或环路保护，但不能同时配置两者。