交換機(jī)之間進(jìn)行互連時會產(chǎn)生一個封閉的物理環(huán)路，這意味著兩個網(wǎng)絡(luò)之間可能存在不止一條路徑。這些環(huán)路可能是由于需要冗余路徑來確保可靠性，也可能是因?yàn)殄e誤而產(chǎn)生的。如果在交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路的情況下，發(fā)送給主機(jī)的Broadcast 、Unknown Unicast Frame將無法到達(dá)目的地，網(wǎng)絡(luò)也會停止服務(wù)。這種情況的出現(xiàn)，主要是由透明交換機(jī)的兩個特點(diǎn)決定的：

當(dāng)目標(biāo)地址不在其地址表中時，繼續(xù)進(jìn)行泛洪；

轉(zhuǎn)發(fā)幀時，副本與原始幀無法區(qū)分。沒有字段（例如跳轉(zhuǎn)計數(shù)器）來區(qū)分連續(xù)副本

那么，該如何解決這個問題呢？

有兩種可能的解決方法，一是嚴(yán)禁創(chuàng)建帶有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)，二是啟用某種機(jī)制，允許交換機(jī)檢測拓?fù)渲惺欠翊嬖诃h(huán)路，從而禁用必要的接口來避免環(huán)路的產(chǎn)生。這就是生成樹協(xié)議（STP，Spanning Tree Protocol）發(fā)揮作用的地方。生成樹中的任何一對節(jié)點(diǎn)之間只有一個可能的路徑（沒有循環(huán)的樹）。生成樹協(xié)議的目標(biāo)是在邏輯上禁用接口以始終實(shí)現(xiàn)生成樹。

生成樹

因此，為了了解網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而禁用接口，會發(fā)送生成樹消息，這些消息稱為BPDU（網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。BPDU 使用保留的多播地址01-80-C2-00-00-00-00，以確保非生成樹交換機(jī)透明地傳播它們。

操作流程

生成樹協(xié)議的操作流程

1

交換機(jī)定期交換帶有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌腂PDU。

2

每個交換機(jī)都有一個標(biāo)識符 (sw-ID)，它根據(jù)其 MAC 地址創(chuàng)建。

3

此外，每個端口都有一個標(biāo)識符 (port-ID) 和與之相關(guān)的成本。

4

交換機(jī)選擇具有最低 sw-ID 的交換機(jī)作為樹的根。它們都選擇同一個。

5

每個交換機(jī)通過其接口發(fā)送BPDUs，表明其sw-ID、根交換機(jī)的sw-ID以及到達(dá)根交換機(jī)的成本。BPDU在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，每個交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)信息時都會加上它所通過的接口的成本。

6

收到 BPDU 后，每臺交換機(jī)都會計算出它可以通過哪個端口才能以最低成本到達(dá)根交換機(jī)，進(jìn)而決定根端口，在存在相同成本的情況下，它會選擇最低的端口ID。

7

每個 LAN 都有一個指定端口，該端口是該 LAN 以最低成本訪問根交換機(jī)的端口。

8

既不是根也不是指定的端口是阻塞端口。這些端口對于通信是不必要的，如果允許操作，它們會導(dǎo)致循環(huán)。

快速生成樹協(xié)議：RSTP

傳統(tǒng)的生成樹 (IEEE 802.1D)存在收斂問題，因?yàn)橥負(fù)涓目赡苄枰?30 秒到幾分鐘。這在某些情況下是無法滿足用戶要求的。1998 年，快速生成樹協(xié)議（RSTP，IEEE 802.1w）的標(biāo)準(zhǔn)化工作完成，這是原始協(xié)議的一種變體，可將收斂時間減少到大約6 秒。如今，傳統(tǒng)的生成樹已被宣布過時。

在RSTP中，交換機(jī)保留著通往根的第二條最低成本路徑的信息，因此在發(fā)生故障時切換到新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要比STP協(xié)議更快。

RSTP樹

多個RSTP：MSTP

RSTP協(xié)議已經(jīng)成為在包括冗余的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中防止二層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路的理想選擇。如果網(wǎng)絡(luò)中存在交換機(jī)，則它必須能夠運(yùn)行RSTP算法。

另一種有趣的冗余形式或針對環(huán)路的安全性是使用多生成樹協(xié)議 (MSTP)。MSTP 是 RSTP 的擴(kuò)展，可以將VLAN 分組到生成樹實(shí)例中。它為數(shù)據(jù)流量提供了多條轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡。

MSTP為每個VLAN組配置一個單獨(dú)的生成樹，允許每個VLAN有一個配置的根橋和轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它在每個生成樹中阻斷所有可能的備用路徑，只保留一條。

虹科提供了將RSTP和MSTP功能集成到網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)，即虹科網(wǎng)管冗余交換機(jī)（MES）。這是一個具有許多配置選項(xiàng)的FPGA的IP核解決方案，能夠支持RSTP和MSTP，可用于多種類型應(yīng)用的交換機(jī)。