Understanding Multiple Spanning Tree Protocol (802.1 s)

introduktion

Multiple Spanning Tree (MST) är en IEEE-standard inspirerad av Mistp-implementeringen av Cisco proprietary Multiple Instances Spanning Tree Protocol (MISTP). Detta dokument förutsätter att läsaren är bekant med Rapid STP (RSTP) (802,1 w), eftersom MST starkt förlitar sig på denna andra IEEE-standard. Denna tabell visar stödet för MST i olika Katalysatoromkopplare:

för mer information om RSTP (802.1 w), se detta dokument:

• förstå Rapid Spanning Tree Protocol (802.1w)

var ska man använda MST

detta diagram visar en gemensam design som har åtkomstbrytare A Med 1000 VLAN redundant anslutna till två distributionsbrytare, D1 och D2. I den här inställningen ansluter användare till Switch A, och nätverksadministratören försöker vanligtvis uppnå belastningsbalansering på access switch-Upplänkarna baserat på jämn eller udda VLAN eller något annat schema som anses lämpligt.

dessa avsnitt är exempel fall där olika typer av STP används på denna inställning:

PVST+ Case

i en Cisco per-VLAN Spanning Tree (PVST+) miljö, de spanning tree parametrar är inställda så att hälften av VLAN framåt på varje upplänk stammen. För att enkelt uppnå detta, välj Bridge D1 för att vara roten för VLAN 501 till 1000, och Bridge D2 för att vara roten för VLAN 1 till 500. Dessa uttalanden är sanna för denna konfiguration:

• i detta fall, optimal lastbalansering resultat.

• en spanning tree instans för varje VLAN upprätthålls, vilket innebär 1000 instanser för endast två olika slutliga logiska topologier. Detta slösar avsevärt CPU-cykler för alla omkopplare i nätverket (förutom den bandbredd som används för varje instans för att skicka sina egna Bridge Protocol Data Units (BPDU)).

Standard 802.1 q Case

den ursprungliga IEEE 802.1 q-standarden definierar mycket mer än bara trunking. Denna standard definierar ett gemensamt Spanning Tree (CST) som bara antar en spanning tree-instans för hela det överbryggade nätverket, oavsett antalet VLAN. Om CST tillämpas på topologin i detta diagram, resultatet liknar diagrammet som visas här:

i ett nätverk som kör CST är dessa uttalanden sanna:

• ingen lastbalansering är möjlig; en upplänk måste blockera för alla VLAN.

• CPU: n sparas; endast en instans behöver beräknas.

notera: Cisco-implementeringen förbättrar 802.1 q för att stödja en PVST. Den här funktionen fungerar exakt som PVST i det här exemplet. Cisco per-VLAN BPDU: er tunnlas av rena 802.1 q-broar.

mst Case

MSTs (IEEE 802.1 s) kombinerar de bästa aspekterna från både PVST+ och 802.1 q. tanken är att flera VLAN kan mappas till ett reducerat antal spanning tree instanser eftersom de flesta nätverk inte behöver mer än några logiska topologier. I topologin som beskrivs i det första diagrammet finns det bara två olika slutliga logiska topologier, så bara två spänner över trädinstanser är verkligen nödvändiga. Det finns inget behov av att köra 1000 instanser. Om du kartlägger hälften av 1000 VLAN till en annan spanning tree-instans, som visas i det här diagrammet, är dessa uttalanden sanna:

• det önskade lastbalanseringsschemat kan fortfarande uppnås, eftersom hälften av VLAN: erna följer en separat instans.

• CPU: n sparas eftersom endast två instanser beräknas.

ur teknisk synvinkel är MST den bästa lösningen. Ur slutanvändarens perspektiv är de största nackdelarna med en migrering till MST:

• protokollet är mer komplext än det vanliga spännträdet och kräver ytterligare utbildning av Personalen.

• samverkan med äldre broar kan vara en utmaning. För mer information, se avsnittet interaktion mellan MST-regioner och omvärlden i detta dokument.

mst Region

som tidigare nämnts är huvudförbättringen introducerad av MST att flera VLAN kan mappas till en enda spanning tree-instans. Detta väcker problemet med hur man bestämmer vilken VLAN som ska associeras med vilken instans. Mer exakt, hur man taggar BPDU: er så att de mottagande enheterna kan identifiera instanser och VLAN: er som varje enhet gäller.

problemet är irrelevant när det gäller 802.1 q-standarden, där alla instanser mappas till en unik instans. I PVST + – implementeringen är föreningen följande:

• olika VLAN bär BPDU för deras respektive instans (en BPDU per VLAN).

Cisco MISTP skickade en BPDU för varje instans, inklusive en lista över VLAN som BPDU var ansvarig för, för att lösa detta problem. Om två växlar felkonfigurerades och hade ett annat intervall av VLAN associerade till samma instans, var det svårt för protokollet att återhämta sig ordentligt från denna situation.

IEEE 802.1 s-Utskottet antog ett mycket enklare och enklare tillvägagångssätt som införde MST-regioner. Tänk på en region som motsvarigheten till BGP-autonoma system (Border Gateway Protocol), som är en grupp omkopplare placerade under en gemensam administration.

mst-konfiguration och MST-Region

varje switch som kör MST i nätverket har en enda mst-konfiguration som består av dessa tre attribut:

1. ett alfanumeriskt konfigurationsnamn (32 byte)

2. ett konfigurationsrevisionsnummer (två byte)

3. en 4096-elementstabell som associerar var och en av de potentiella 4096 VLAN som stöds på chassit till en given instans

för att vara en del av en gemensam mst-region måste en grupp växlar dela samma konfigurationsattribut. Det är upp till nätverksadministratören att korrekt sprida konfigurationen i hela regionen. För närvarande är detta steg endast möjligt med hjälp av kommandoradsgränssnittet (CLI) eller genom Simple Network Management Protocol (SNMP). Andra metoder kan förutses, eftersom IEEE-specifikationen inte uttryckligen nämner hur man utför det steget.

Obs: Om två växlar av någon anledning skiljer sig åt på ett eller flera konfigurationsattribut, är omkopplarna en del av olika regioner. För mer information se avsnittet Regiongräns i detta dokument.

Regiongräns

för att säkerställa konsekvent VLAN-till-instans-mappning är det nödvändigt för protokollet att kunna exakt identifiera gränserna för regionerna. För detta ändamål ingår regionens egenskaper i BPDU: erna. Den exakta VLAN-till-instans-kartläggningen sprids inte i BPDU, eftersom omkopplarna bara behöver veta om de befinner sig i samma region som en granne. Därför skickas endast en sammanfattning av Kartläggningstabellen VLAN-till-instans, tillsammans med revisionsnumret och namnet. När en omkopplare får en BPDU extraherar omkopplaren digest (ett numeriskt värde som härrör från VLAN-till-instans-kartläggningstabellen genom en matematisk funktion) och jämför denna digest med sin egen beräknade digest. Om digesterna skiljer sig, ligger porten på vilken BPDU mottogs vid gränsen för en region.

generellt sett är en port vid gränsen för en region om den angivna bron på sitt segment ligger i en annan region eller om den får äldre 802.1 d BPDU: er. I detta diagram är porten på B1 vid gränsen för region A, medan portarna på B2 och B3 är interna till region B:

mst-instanser

enligt IEEE 802.1 s-specifikationen måste en mst-bro kunna hantera åtminstone dessa två instanser:

• en intern spänner träd (IST)

• en eller flera instanser av Spännviddsträd (mstis))

terminologin fortsätter att utvecklas, eftersom 802.1 s faktiskt befinner sig i en standardfas. Det är troligt att dessa namn kommer att ändras i den slutliga utgåvan av 802.1 s. Cisco-implementeringen stöder 16 instanser: en IST (instans 0) och 15 MSTIs.

ist-instanser

för att tydligt förstå rollen för ist-instansen, kom ihåg att MST härstammar från IEEE. Därför måste MST kunna interagera med 802.1 q-baserade nätverk, eftersom 802.1 q är en annan IEEE-standard. För 802.1 q implementerar ett överbryggat nätverk bara ett enda spanning tree (CST). Ist-instansen är helt enkelt en RSTP-instans som utökar CST inuti mst-regionen.

ist-instansen tar emot och skickar BPDU till CST. IST kan representera hela mst-regionen som en CST virtuell bro till omvärlden.

dessa är två funktionellt ekvivalenta diagram. Lägg märke till platsen för de olika blockerade portarna. I ett typiskt överbryggat nätverk förväntar du dig att se en blockerad port mellan omkopplarna M och B. I stället för att blockera på D förväntar du dig att den andra slingan bryts av en blockerad port någonstans mitt i mst-regionen. På grund av IST visas dock hela regionen som en virtuell bro som kör ett enda spanning tree (CST). Detta gör det möjligt att förstå att den virtuella bron blockerar en alternativ port på B. också, att virtuella bron är på C till D-segmentet och leder Switch D för att blockera dess port.

den exakta mekanismen som gör att regionen visas som en virtuell CST-bro ligger utanför detta dokuments omfattning, men beskrivs tydligt i IEEE 802.1 s-specifikationen. Men om du håller den här virtuella broegenskapen i mst-regionen i åtanke är interaktionen med omvärlden mycket lättare att förstå.

MSTIs

MSTIs är enkla RSTP-instanser som bara finns i en region. Dessa instanser kör RSTP automatiskt som standard, utan extra konfigurationsarbete. Till skillnad från IST interagerar MSTIs aldrig med utsidan av regionen. Kom ihåg att MST bara kör ett spännandeträd utanför regionen, så förutom IST-instansen har vanliga instanser inom regionen ingen extern motsvarighet. Dessutom skickar Msti inte BPDU utanför en region, bara IST gör det.

Msti: er skickar inte oberoende enskilda BPDU: er. Inuti mst-regionen utbyter broar MST BPDU: er som kan ses som normala RSTP BPDU: er för IST samtidigt som de innehåller ytterligare information för varje MSTI. Detta diagram visar ett BPDU-utbyte mellan omkopplarna A och B inuti en mst-region. Varje switch skickar bara en BPDU, men varje innehåller en MRecord per MSTI närvarande på portarna.

notera: i det här diagrammet märker du att det första informationsfältet som bärs av en MST BPDU innehåller data om IST. Detta innebär att ist (instans 0) alltid finns överallt i en mst-region. Nätverksadministratören behöver dock inte mappa VLAN till instans 0, och därför är detta inte en källa till oro.

till skillnad från vanlig konvergerad trädtopologi kan båda ändarna av en länk skicka och ta emot BPDU samtidigt. Detta beror på att, som visas i detta diagram, varje bro kan betecknas för en eller flera instanser och behöver sända BPDU: er. Så snart en enda mst-instans anges i en port ska en BPDU som innehåller informationen för alla instanser (ist+ MSTIs) skickas. Diagrammet som visas här visar mst BDPUs skickade inom och utanför en mst-region:

MRecord innehåller tillräckligt med information (mestadels root bridge och sender bridge priority parameters) för motsvarande instans för att beräkna dess slutliga topologi. MRecord behöver inga timerrelaterade parametrar som Hej tid, framåtfördröjning och max ålder som vanligtvis finns i en vanlig IEEE 802.1 d eller 802.1 q CST BPDU. Den enda instansen i mst-regionen för att använda dessa parametrar är IST; hello-tiden bestämmer hur ofta BPDU: er skickas, och framåtfördröjningsparametern används huvudsakligen när snabb övergång inte är möjlig (kom ihåg att snabba övergångar inte sker på Delade länkar). Eftersom Msti är beroende av IST för att överföra sin information behöver Msti inte dessa timers.

vanliga felkonfigurationer

oberoende mellan instans och VLAN är ett nytt koncept som innebär att du måste noggrant planera din konfiguration. Ist-instansen är aktiv på alla portar, oavsett om Trunk-eller Åtkomstsektionen illustrerar några vanliga fallgropar och hur man undviker dem.

ist-instans är aktiv på alla portar, oavsett om det är Trunk eller Access

detta diagram visar omkopplare A och B anslutna till åtkomstportar som var och en ligger i olika VLAN. VLAN 10 och VLAN 20 mappas till olika instanser. VLAN 10 mappas till instans 0, medan VLAN 20 mappas till instans 1.

denna konfiguration resulterar i pcA: s oförmåga att skicka ramar till pcB. Show-kommandot avslöjar att Switch B blockerar länken för att växla A i VLAN 10, som visas i detta diagram:

hur är det möjligt i en så enkel topologi, utan någon uppenbar slinga?

denna fråga förklaras av det faktum att MST-information förmedlas med endast en BPDU (IST BPDU), oavsett antalet interna instanser. Enskilda instanser skickar inte enskilda BPDU: er. När Switch A och Switch B utbyter STP-information för VLAN 20 skickar omkopplarna en ist BPDU med en MRecord till exempel 1 eftersom det är där VLAN 20 kartläggs. Men eftersom det är en ist BPDU innehåller denna BPDU också information till exempel 0. Det betyder att ist-instansen är aktiv på alla portar i en mst-region, oavsett om dessa portar har VLAN-filer mappade till IST-instansen eller inte.

detta diagram visar den logiska topologin för ist-instansen:

Switch B tar emot två BPDU: er till exempel 0 från Switch a (en på varje port). Det är uppenbart att Switch B måste blockera en av sina portar för att undvika en slinga.

den föredragna lösningen är att använda en instans för VLAN 10 och en annan instans för VLAN 20 för att undvika att mappa VLAN till IST-instansen.

ett alternativ är att bära de VLAN som är mappade till IST på alla länkar (Tillåt VLAN 10 på båda portarna, som i detta diagram).

två VLAN mappade till samma instans blockerar samma portar

kom ihåg att VLAN inte längre betyder spanning tree instance. Topologin bestäms av instansen, oavsett vilka VLAN som är mappade till den. Detta diagram visar ett problem som är en variant av den som diskuteras i Ist-instansen är aktiv på alla portar, vare sig Trunk eller Åtkomstsektion:

Antag att VLAN 10 och 20 är båda mappade till samma instans (instans 1). Nätverksadministratören vill manuellt beskära VLAN 10 på en upplänk och VLAN 20 på den andra för att begränsa trafiken på Upplänkstammarna från Switch A till distributionsbrytare D1 och D2 (ett försök att uppnå en topologi som beskrivs i föregående diagram). Strax efter att detta är klart märker nätverksadministratören att användare i VLAN 20 har tappat anslutningen till nätverket.

detta är ett typiskt felkonfigurationsproblem. VLAN 10 och 20 är båda mappade till instans 1, vilket innebär att det bara finns en logisk topologi för båda VLAN. Lastdelning kan inte uppnås, som visas här:

på grund av den manuella beskärningen är VLAN 20 endast tillåten på den blockerade porten, vilket förklarar förlusten av anslutning. För att uppnå lastbalansering måste nätverksadministratören kartlägga VLAN 10 och 20 till två olika instanser.

en enkel regel att följa för att undvika detta problem är att aldrig manuellt beskära VLAN från en bagage. Om du bestämmer dig för att ta bort några VLAN från en bagageutrymme, ta bort alla VLAN som är mappade till en viss instans tillsammans. Ta aldrig bort en enskild VLAN från en stam och inte ta bort alla VLAN som är mappade till samma instans.

interaktion mellan MST-regionen och omvärlden

med en migrering till ett MST-nätverk kommer administratören sannolikt att behöva hantera interoperabilitetsproblem mellan MST och äldre protokoll. MST fungerar sömlöst med standard 802.1 q CST-nätverk; dock är bara en handfull nätverk baserade på 802.1Q standard på grund av dess enda spänner träd begränsning. Cisco släppte PVST + samtidigt som stöd för 802.1 q tillkännagavs. Cisco tillhandahåller också en effektiv men ändå enkel kompatibilitetsmekanism mellan MST och PVST+. Denna mekanism förklaras senare i detta dokument.

den första egenskapen i en mst-region är att vid gränsportarna skickas inga Msti BPDU: er ut, endast IST BPDU: er är. Interna instanser (mstis) följer alltid automatiskt ist-topologin vid gränsportar, som visas i detta diagram:

i detta diagram antar VLAN 10 till 50 mappas till den gröna instansen, som endast är en intern instans (Msti). De röda länkarna representerar IST och representerar därför också CST. VLAN 10 till 50 är tillåtna överallt i topologin. BPDU: er för den gröna instansen skickas inte ut ur mst-regionen. Detta betyder inte att det finns en slinga i VLAN 10 till 50. Msti: er följer ist vid gränsportarna, och gränsporten på Switch B blockerar också trafik för den gröna instansen.

växlar som kör MST kan automatiskt upptäcka PVST+ grannar vid gränser. Dessa omkopplare kan upptäcka att flera BPDU: er tas emot på olika VLAN i en stamport för instansen.

detta diagram visar ett interoperabilitetsproblem. En mst-region interagerar bara med ett spanning tree (CST) utanför regionen. PVST+ bridges kör dock en Spanning Tree Algorithm (STA) per VLAN, och som ett resultat skickar du en BPDU på varje VLAN varannan sekund. Gränsen mst bridge förväntar sig inte att få så många BPDU: er. Mst-bron förväntar sig antingen att ta emot en eller skicka en, beroende på om bron är roten till CST eller inte.

Cisco utvecklade en mekanism för att ta itu med problemet som visas i detta diagram. En möjlighet kunde ha bestått av att tunnla de extra BPDU: erna som skickades av PVST+ – broarna över mst-regionen. Denna lösning har dock visat sig vara för komplex och potentiellt farlig när den först implementerades i MISTP. Ett enklare tillvägagångssätt skapades. Mst-regionen replikerar IST BPDU på alla VLAN för att simulera en PVST+ granne. Denna lösning innebär några begränsningar som diskuteras i detta dokument.

rekommenderad konfiguration

eftersom mst-regionen nu replikerar IST-BPDU: erna på varje VLAN vid gränsen, hör varje PVST+ – instans en BPDU från ist-roten (detta innebär att roten ligger inuti mst-regionen). Det rekommenderas att ist-roten har högre prioritet än någon annan bro i nätverket så att ist-roten blir roten för alla olika PVST + – instanser, som visas i detta diagram:

i detta diagram är Switch C en PVST + redundant ansluten till en MST-region. IST-roten är roten för alla PVST+ – instanser som finns på Switch C. Som ett resultat blockerar Switch C en av dess upplänkar för att förhindra slingor. I detta speciella fall är interaktionen mellan PVST+ och MST-regionen optimal eftersom:

• Switch C: s Upplänksportars kostnader kan ställas in för att uppnå lastbalansering av de olika VLAN: erna över Upplänkarnas portar (eftersom Switch C kör ett spännträd per VLAN, kan denna switch välja vilka Upplänksportblock per VLAN-basis).

• UplinkFast kan användas på Switch C för att uppnå snabb konvergens i händelse av ett Upplänkfel.

alternativ konfiguration (rekommenderas inte)

en annan möjlighet är att IST-regionen är roten för absolut ingen PVST+ – instans. Det betyder att alla PVST + – instanser har en bättre rot än IST-instansen, som visas i detta diagram:

detta fall motsvarar en PVST + – kärna och ett mst-åtkomst-eller distributionsskikt, ett ganska sällsynt scenario. Om du etablerar rotbroen utanför regionen finns det dessa nackdelar jämfört med den tidigare rekommenderade konfigurationen:

• en mst-region kör bara en spanning tree-instans som interagerar med omvärlden. Detta innebär i princip att en gränsport endast kan blockera eller Vidarebefordra för alla VLAN. I andra termer finns det ingen lastbalansering möjlig mellan regionens två upplänkar som leder till Switch C. upplänken på Switch B för instansen kommer att blockera för alla VLAN medan Switch A kommer att vidarebefordra för alla VLAN.

• denna konfiguration möjliggör fortfarande snabb konvergens inom regionen. Om upplänken på omkopplaren a misslyckas måste en snabb övergång till en upplänk på en annan omkopplare uppnås. Medan hur IST beter sig inom regionen för att få hela mst-regionen att likna en CST-bro diskuterades inte i detalj, du kan föreställa dig att en övergång över en region aldrig är lika effektiv som en övergång på en enda bro.

ogiltig konfiguration

medan PVST + – emuleringsmekanismen ger enkel och sömlös interoperabilitet mellan MST och PVST+, innebär denna mekanism att någon annan konfiguration än de två tidigare nämnda är ogiltig. Det här är de grundläggande reglerna som måste följas för att få en framgångsrik mst-och PVST+ – interaktion:

1. om mst-bron är roten måste denna bro vara roten för alla VLAN.

2. om PVST + – bron är roten måste denna bro vara roten för alla VLAN (inklusive CST, som alltid körs på VLAN 1, oavsett den ursprungliga VLAN, när CST körs PVST+).

3. simuleringen misslyckas och ger ett felmeddelande om mst-bron är roten för CST, medan PVST+ – bron är roten för en eller flera andra VLAN. En misslyckad simulering sätter gränsporten i rot inkonsekvent läge.

i detta diagram är Bro A i mst-regionen roten för alla tre PVST+ – instanser utom en (den röda VLAN). Bro C är roten till den röda VLAN. Antag att slingan som skapas på den röda VLAN, där Bro C är roten, blockeras av Bro B. Det betyder att bro B är avsedd för alla VLAN utom den röda. En MST-region kan inte göra det. En gränsport kan bara blockera eller Vidarebefordra för alla VLAN eftersom mst-regionen bara kör ett spännandeträd med omvärlden. Således, när Bridge B upptäcker en bättre BPDU på sin gränsport, åberopar bron BPDU guard för att blockera denna port. Porten är placerad i rot inkonsekvent läge. Exakt samma mekanism leder också bro A för att blockera dess gränsport. Anslutningen går förlorad, men en loopfri topologi bevaras även i närvaro av en sådan felkonfiguration.

Obs: så snart en gränsporten producerar en rot inkonsekvent fel, undersöka om en PVST+ bro har försökt att bli roten för vissa VLAN.

migrationsstrategi

det första steget i migreringen till 802.1 s/w är att korrekt identifiera punkt-till-punkt-och kantportar. Se till att alla switch-to-switch-länkar, på vilka en snabb övergång önskas, är full duplex. Kantportar definieras genom PortFast-funktionen. Bestäm noggrant hur många instanser som behövs i det växlade nätverket och kom ihåg att en instans översätts till en logisk topologi. Bestäm vilka VLAN som ska kartläggas på dessa instanser och välj noggrant en rot och en säkerhetskopieringsrot för varje instans. Välj ett konfigurationsnamn och ett revisionsnummer som är gemensamt för alla switchar i nätverket. Cisco rekommenderar att du placerar så många växlar som möjligt i en enda region; Det är inte fördelaktigt att segmentera ett nätverk i separata regioner. Undvik att kartlägga eventuella VLAN på instans 0. Migrera kärnan först. Ändra STP-typen till MST och arbeta dig ner till åtkomstväxlarna. MST kan interagera med äldre broar som kör PVST+ per port, så det är inte ett problem att blanda båda typerna av broar om interaktioner tydligt förstås. Försök alltid att hålla roten till CST och IST inuti regionen. Om du interagerar med en PVST+ – bro genom en bagageutrymme, se till att mst-bron är roten för alla VLAN: er som är tillåtna på den stammen.

för provkonfigurationer, se:

• konfigurationsexempel för att migrera Spännträdet från PVST + till MST

• Spanning träd från PVST + till Rapid-PVST Migration konfiguration exempel

slutsats

switchade nätverk måste uppfylla stränga krav på robusthet, elasticitet och hög tillgänglighet. Med växande tekniker som Voice over IP (VoIP) och Video över IP är snabb konvergens kring länk-eller komponentfel inte längre en önskvärd egenskap: snabb konvergens är ett måste. Men tills nyligen måste redundanta switchade nätverk förlita sig på den relativt tröga 802.1 d STP för att uppnå dessa mål. Detta visade sig ofta vara nätverksadministratörens mest utmanande uppgift. Det enda sättet att få några sekunder av protokollet var att ställa in protokolltimrarna, men ofta till nackdel för nätverkets hälsa. Cisco har släppt många 802.1D STP förstärkningar som UplinkFast, BackboneFast och PortFast, funktioner som banade väg mot snabbare spänner träd konvergens. Cisco svarade också stora lager 2 (L2)-baserade nätverk skalbarhet problem med utvecklingen av MISTP. IEEE beslutade nyligen att införliva de flesta av dessa begrepp i två standarder: 802.1 w (RSTP) och 802.1 s (MST). Med implementeringen av dessa nya protokoll kan konvergenstider i de låga hundratals millisekunder förväntas samtidigt som de skalas till tusentals VLAN. Cisco är fortfarande ledande inom branschen och erbjuder dessa två protokoll tillsammans med egna förstärkningar för att underlätta migrering av och driftskompatibilitet med äldre broar.