STP发展史

一、二层网络

1、本地VLAN数据帧转发

Ethernet二层交换数据帧转发处理流程：

Step1. 查找CAM表：根据以太网帧中的dst MAC，比对CAM表中的MAC

  • 如果dst MAC是广播帧/未知单播帧，则执行2nd

  • 如果dst MAC是已知单播帧，则查询对应的接口，学习src MAC并转发；

Step2. 学习src MAC并泛洪转发：学习提取以太网帧中的src MAC，然后将接收该帧的交换机物理接口和该帧的src MAC的对应关系，存到CAM中，然后将该帧泛洪；

广播帧是指帧内的dst MAC为ffff:ffff:ffff，单播帧是指帧内的dst MAC不为ffff:ffff:ffff。已知单播帧就是CAM中有的且不为广播帧的MAC就是已知单播帧，反之就是未知。

泛洪是指将dst MAC为广播地址的帧发送到除接收接口外的其他接口（同属于一个广播域内）或者将数据帧发送给与接收帧的入站端口所属相同VLAN的所有端口。触发泛洪规则：

  • 接收到广播帧

  • 接收到未知单播帧

2、端到端VLAN数据帧转发

1）802.1q封装

access端口发送ethernet帧到交换机，根据ethernet帧的src MAC所属的VID和设置的PVID判断是否为native VLAN：

  • 是，是否允许通过trunk链路

    • 允许，则802.1q协议不会插入任何tag字段入帧，转发802.1q帧到trunk链路上

    • 不允许，丢弃

  • 否，是否允许通过trunk链路

    • 允许，则802.1q协议插入tag字段入帧（根据ethernet帧中的src MAC所属VID查询），重新计算FCS，转发802.1q帧到trunk链路上

    • 不允许，丢弃

trunk端口运行的802.1q协议负责802.1q帧封装

access端口收到802.1q帧，会将tag忽略并当作普通ethernet帧处理

2）802.1q解封装

对端交换机从trunk链路上收到802.1q帧后，先判断是否允许通过，再判断该帧是否有tag：

  • 有，则根据tag信息判断是哪个VID，然后untag形成ethernet帧，然后根据dst MAC查找CAM表转发。

  • 无，则根据配置的PVID和dst MAC查找CAM表转发。

二、二层冗余网络

现网中对冗余链路和设备都有要求，比如上图，SA、SB作为汇聚层交换机，SC作为接入层交换机，两两之间的链路采用冗余设计（etherchannel）。冗余设计的优点就是避免单点故障，增强网络稳定性。但是二层网络在使用冗余技术的同时，需要考虑到二层环路。

二层环路是如何产生的？主机A需要进行二层通信，但是不知道B的MAC，触发ARP请求B的MAC，封装帧为src MAC=A，dst MAC=ffff:ffff:ffff。该帧到交换机，根据二层交换流程，学习src MAC，查看dst MAC为广播帧，执行泛洪。帧从SC到SA和SB，而SA执行相同操作，SA发送给SB，SB同理发送给SC，形成二层环路，每到一次交换机，就会复制广播帧，然后发送，不超过几秒后，整个二层网络充斥着广播帧，严重影响网络通信。二层环路会出现三个严重问题：

  • 重复帧问题：SB收到了2个ARP广播请求帧，从SA和SC发来的。

  • 广播风暴问题：SB把这个ARP广播请求帧再次泛洪给了SA，因为广播帧每经过一次泛洪，数量就翻倍。目前交换机转发数据的速率都是微秒级的，所以不到1s两台交换机之间的小型网络就会充斥着上万个数据包，严重影响交换机性能。

  • CAM紊乱：SB从两个接口都收到了源为主机A的MAC地址,它不知道如何记录，该记f0/15对应主机A的MAC还是f0/16对应主机A的MAC地址。尽管现代网络设备的传输效率已经到达微秒级，但是还是会存在时间差。

所以总结二层冗余网络的问题就是能够解决单点故障，提高网络容错性，但是容易出现二层环路。冗余技术并不是问题，问题是出在如何解决二层环路。各厂商和标准化机构研发了生成树协议（spanning-tree protocol，STP）来解决冗余网络的二层环路问题。简单的说STP就是在逻辑上“剪断”了二层环路。

三、生成树协议发展史

CST（802.1D）是STP最初的版本，用来在冗余环路中提供无环的网络拓扑，但是只支持单VLAN，且收敛速度慢。CST假设整个二层网络中只有一个生成树实例，CST支持所有VLAN使用同一个生成树实例，优点就是资源消耗低，缺点就是冗余链路中如果一条链路被CST阻塞，那么所有的VLAN都无法利用该链路，同时有收敛速度慢的缺点。

为了解决CST的缺点，Cisco开发了PVST/PVST+解决方案。该方案是为交换网络中的每个VLAN运行一个独立生成树实例，如果VLAN1被链路1阻塞，那么它可以通过链路2过去，这样就解决了冗余链路利用率低的问题了，但是缺点也很明显就是生成树实例过多容易消耗过多的硬件资源。

RSTP（802.1W）是CST的升级版，RSTP提高了二层的收敛速度，但是在大网络中仍然因为端口状态转换延迟而出现数据丢失现象。RSTP仍然是所有VLAN共同一个生成树实例，无法按VLAN阻塞冗余链路，RSTP资源消耗中。Cisco仍然是认为每VLAN生成树实例是最好的方案，于是改进开发了RPVST+方案。

后来Cisco意识到RPVST+的不足，于是开发了MISTP。随着MISTP的实施，该协议得到了IEEE的认可，IEEE根据MISTP开发了MSTP（802.1S），将多个VLAN对应到一个生成树实例中，拥有良好的负载分担机制，收敛速度也非常快，资源消耗中高。

任何技术的发展都不会因为某项“理想”技术的出现而停滞，生成树协议的发展历程本身就说明了这一点。随着应用的深入，各种新的协议出现了，例如Cisco为数据中心网络开发的vPC、FabricPath、OTV、QinQ技术等。但是生成树技术仍然是这些技术fail掉后的保险方案，使得二层不至于出现环路。