Протокол множественного связующего дерева (Multiple Spanning Tree, MST)

В данной статье будут рассмотрены особенности протокола множественного связующего дерева MST (Multiple Spanning Tree), его сравнение с другими версиями протокола STP. Также будут показаны базовые настройки протокола и показаны некоторые тонкости реализации.

Содержание:

1. Введение
   1. Проблема PVST+ и Rapid PVST+
   2. Решение: Multiple Spanning Tree (MST)
   3. Концепция MST-регионов
   4. Внутреннее дерево MST (IST)
   5. Взаимодействие MST и других протоколов STP
2. Топология
   1. Настройки коммутатора S1
   2. Настройки коммутатора S2
   3. Настройки коммутатора S3
3. Применение протокола MST и проверка работы
4. Выводы

Введение

В современных сетях второй уровень (Data Link Layer) играет ключевую роль, но вместе с этим возникает риск образования петель. Для их предотвращения используется протокол Spanning Tree (STP) и его различные реализации. По умолчанию коммутаторы Cisco Catalyst работают с PVST+ или Rapid PVST+, где для каждой VLAN создается отдельное дерево связей. Такой подход удобен для балансировки нагрузки, но может существенно увеличивать нагрузку на процессор коммутатора.

Чтобы решить эту проблему, был разработан протокол MST (Multiple Spanning Tree), который позволяет объединять несколько VLAN в одну или несколько логических инстанций (instance) spanning-tree.

Проблема PVST+ и Rapid PVST+

Каждая VLAN в PVST+ или Rapid PVST+ получает собственный процесс построения spanning-tree. Например:

• 20 VLAN = 20 отдельных экземпляров STP.
• 200 VLAN = 200 независимых расчетов.

В крупной сети это приводит к значительным затратам CPU и памяти.

Представим сеть из трех коммутаторов и 201 VLAN. Если один коммутатор назначен корневым для VLAN 100–200, а другой — для VLAN 201–300, то фактически будет выполняться 200 одинаковых расчетов дерева связей. Это избыточная нагрузка, которая не приносит пользы:

Решение: Multiple Spanning Tree (MST)

MST (Multiple Spanning Tree), описанный в стандарте IEEE 802.1s, позволяет назначать множество VLAN на несколько инстанций (instance) STP, вместо создания отдельного дерева для каждой VLAN.

Например, для приведенной выше сети:

• Инстанция 1: VLAN 100–200
• Инстанция 2: VLAN 201–300

Таким образом, выполняется только 2 расчета spanning-tree вместо 200. Это экономит ресурсы и упрощает управление.

Концепция MST-регионов

Работа MST основана на понятии региона (MST Region):

Чтобы коммутаторы могли объединяться в один MST-регион, их параметры конфигурации должны совпадать. Основными атрибутами являются:

1. Имя конфигурации MST (MST configuration name) — это текстовое имя региона. Его можно придумать самостоятельно, главное — чтобы оно было одинаковым на всех коммутаторах региона.
2. Номер ревизии (MST configuration revision number) — это число, которое администратор меняет при изменении настроек MST. Конкретное значение роли не играет, но оно должно совпадать у всех устройств региона.
3. Таблица сопоставления VLAN и инстанций (MST instance-to-VLAN mapping table) — именно здесь указывается, какие VLAN входят в какую инстанцию MST. Эту привязку администратор задает вручную.

Если эти параметры различаются, коммутатор будет рассматриваться как находящийся на границе региона. Он сможет взаимодействовать с другими MST-регионами или даже с устройствами, которые используют PVST+ или RSTP.

Внутреннее дерево MST (IST)

В каждом MST-регионе существует одно внутреннее дерево связей — IST (Internal Spanning Tree). По умолчанию оно работает в инстанции 0. Cisco использует для IST механизм Rapid Spanning Tree (RSTP).

Поверх IST администратор создает дополнительные инстанции и назначает им определенное количество VLAN. Например:

• Инстанция 1: VLAN 100–200 (корневым может быть S2).
• Инстанция 2: VLAN 201–300 (корневым может быть S3).

Таким образом, блокировка портов будет различаться для каждой группы VLAN, а балансировка нагрузки станет более гибкой:

Взаимодействие MST и других протоколов STP

Коммутатор, который находится вне MST-региона, воспринимает его как единое устройство («чёрный ящик»). Для внешней сети весь MST-регион выглядит как один большой коммутатор. Это упрощает интеграцию MST с PVST+ и RSTP:

Топология

Исследуемая топология состоит из трех коммутаторов (Cisco 2960 с ПО Cisco IOS 15.0(2)SE6 LAN Base). Допускается использование других моделей и версий программного обеспечения Cisco IOS. В зависимости от модели и версии программного обеспечения Cisco IOS доступные команды и полученные результаты могут отличаться от показанных в этой статье.

Схема топологии следующая:

Настройки коммутатора S1

hostname S1
no ip domain-lookup
line con 0
exec-timeout 0 0
logging synchronous
exit

interface range GigabitEthernet0/0-1
no shutdown
exit

Настройки коммутатора S2

hostname S2
no ip domain-lookup
line con 0
exec-timeout 0 0
logging synchronous
exit

interface range GigabitEthernet0/0-1
no shutdown
exit

Настройки коммутатора S3

hostname S1
no ip domain-lookup
line con 0
exec-timeout 0 0
logging synchronous
exit

interface range GigabitEthernet0/0-1
no shutdown
exit

Применение протокола MST и проверка работы

Три коммутатора соединены между собой каналами trunk и входят в один MST-регион с параметрами:

• Имя региона: SEDICOMM
• Ревизия конфигурации: 1
• Соответствие VLAN и инстанций:
  • Instance 1: VLAN 10, 20, 30
  • Instance 2: VLAN 40, 50, 60

Cначала на коммутаторах S1, S2 и S3 необходимо включить режим MST:

spanning-tree mode mst

По умолчанию все VLAN привязаны к instance 0. Проверим текущие настройки на каждом коммутаторе с помощью команды show spanning-tree mst configuration:

Коммутатор S1:

show spanning-tree mst configuration
Name []
Revision 0 Instances configured 1

Instance Vlans mapped
-------- ---------------------------------------------------------------------
0 1-4094
-------------------------------------------------------------------------------

Коммутатор S2:

show spanning-tree mst configuration
Name []
Revision 0 Instances configured 1

Instance Vlans mapped
-------- ---------------------------------------------------------------------
0 1-4094
-------------------------------------------------------------------------------

Коммутатор S3:

show spanning-tree mst configuration
Name []
Revision 0 Instances configured 1

Instance Vlans mapped
-------- ---------------------------------------------------------------------
0 1-4094
-------------------------------------------------------------------------------

Результат показывает, что все VLAN (1–4094) назначены IST.

Также можно воспользоваться командой show spanning-tree mst. С её помощью отображается привязка VLAN к инстанциям, а также информация о корневом мосте и другие полезные сведения:

Коммутатор S1:

show spanning-tree mst

##### MST0 vlans mapped: 1-4094
Bridge address 0011.bb0b.3600 priority 32768 (32768 sysid 0)
Root address 000f.34ca.1000 priority 32768 (32768 sysid 0)
port Fa0/17 path cost 0
Regional Root address 000f.34ca.1000 priority 32768 (32768 sysid 0)
internal cost 200000 rem hops 19
Operational hello time 2 , forward delay 15, max age 20, txholdcount 6
Configured hello time 2 , forward delay 15, max age 20, max hops 20

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Desg FWD 200000 128.16 P2p
Fa0/17 Root FWD 200000 128.19 P2p

Перед настройкой MST необходимо перевести интерфейсы между коммутаторами в режим trunk и создать VLAN. Настроим trunk на всех коммутаторах:

Коммутаторы S1, S2 и S3:

interface GigabitEthernet0/0
switchport trunk encapsulation dot1q
switchport mode trunk
exit
interface GigabitEthernet0/0
switchport trunk encapsulation dot1q
switchport mode trunk
exit

Теперь настроим VLAN на коммутаторах:

Коммутаторы S1, S2 и S3:

vlan 10
vlan 20
vlan 30
vlan 40
vlan 50
vlan 60
exit

Теперь можно настроить параметры MST: с помощью команды spanning-tree mst входим в конфигурацию MST, указываем имя региона (SEDICOMM), номер ревизии (1) и таблицу сопоставления VLAN экземплярам:

Коммутаторы S1, S2 и S3:

spanning-tree mst configuration
name SEDICOMM
revision 1
instance 1 vlan 10,20,30
instance 2 vlan 40,50,60
exit

Проверим работу протокола на коммутаторе S1:

show spanning-tree mst configuration
Name [Networklessons]
Revision 1 Instances configured 3

Instance Vlans mapped
-------- ---------------------------------------------------------------------
0 1-9,11-19,21-29,31-39,41-49,51-59,61-4094
2 10,20,30
3 40,50,60
-------------------------------------------------------------------------------

Вывод команды показывает, что VLAN 10, 20, 30 назначены instance 1, VLAN 40, 50, 60 — instance 2. Все остальные VLAN остаются в instance 0.

………………………………….

Пока что так хорошо, давайте немного поэкспериментируем с MST и изменим корневой мост:

Я хочу убедиться, что SW1 является корневым мостом в регионе. Нужно будет изменить приоритет для IST:

SW1(config)#spanning-tree mst 0 priority 4096

Вот как изменяется приоритет для экземпляра MST 0.

SW1#show spanning-tree mst

##### MST0 vlans mapped: 1-9,11-19,21-29,31-39,41-49,51-59,61-4094
Bridge address 0011.bb0b.3600 priority 4096 (4096 sysid 0)
Root this switch for the CIST

Здесь можно увидеть, что SW1 является корневым мостом для IST. В нем говорится о CIST, который обозначает Common and Internal Spanning Treee.

Давайте рассмотрим интерфейсы:

SW1#show spanning-tree mst 0 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Desg FWD 200000 128.16 P2p
Fa0/17 Desg FWD 200000 128.19 P2p

SW2#show spanning-tree mst 0 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Root FWD 200000 128.16 P2p
Fa0/16 Altn BLK 200000 128.18 P2p

SW3#show spanning-tree mst 0 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Root FWD 200000 128.14 P2p
Fa0/16 Desg FWD 200000 128.16 P2p

Теперь мы знаем состояние всех интерфейсов. Давайте нарисуем картинку, чтобы понять, как выглядит IST:

Теперь я хочу внести некоторые изменения в экземпляр 2, поэтому теперь SW2 будет корневым мостом:

SW2(config)#spanning-tree mst 2 priority 4096

Мы изменим приоритет на SW2 для экземпляра 2.

SW2#show spanning-tree mst 2

MST2 vlans mapped: 10,20,30
Bridge address 0019.569d.5700 priority 4098 (4096 sysid 2)
Root this switch for MST2

Эта команда доказывает, что SW2 является корневым мостом для экземпляра 2. Давайте проверим интерфейсы:

SW1#show spanning-tree mst 2 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Root FWD 200000 128.16 P2p
Fa0/17 Altn BLK 200000 128.19 P2p

SW2#show spanning-tree mst 2 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Desg FWD 200000 128.16 P2p
Fa0/16 Desg FWD 200000 128.18 P2p

SW3#show spanning-tree mst 2 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Desg FWD 200000 128.14 P2p
Fa0/16 Root FWD 200000 128.16 P2p

И последнее, но не менее важное: теперь я сделаю некоторые изменения в экземпляре 3:

SW3(config)#spanning-tree mst 3 priority 4096

SW3 станет корневым мостом, например 3.

SW3#show spanning-tree mst 3

MST3 vlans mapped: 40,50,60
Bridge address 000f.34ca.1000 priority 4099 (4096 sysid 3)
Root this switch for MST3

SW3 теперь является корневым мостом экземпляра 3. Давайте посмотрим на интерфейсы:

SW1#show spanning-tree mst 3 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Desg FWD 200000 128.16 P2p
Fa0/17 Root FWD 200000 128.19 P2p

SW2#show spanning-tree mst 3 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Altn BLK 200000 128.16 P2p
Fa0/16 Root FWD 200000 128.18 P2p

SW3#show spanning-tree mst 3 | begin Interface
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/14 Desg FWD 200000 128.14 P2p
Fa0/16 Desg FWD 200000 128.16 P2p

Давайте сравним экземпляры 2 и 3 рядом друг с другом:

Слева вы видите экземпляр 2, а справа — экземпляр 3.

Изменяя экземпляр корневого моста, мы получаем разные топологии:

• Экземпляр 2: fa0/17 на SW1 заблокирован для VLAN 10, 20 и 30.
• Экземпляр 3: fa0/14 на SW2 заблокирован для VLAN 40, 50 и 60.

Что произойдёт, когда я добавлю другой коммутатор, который работает с PVST, в топологию? Давайте выясним!

SW4(config)#spanning-tree mode pvst

PVST по умолчанию используется для большинства коммутаторов Cisco.

SW4(config)#interface fa0/16
SW4(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW4(config-if)#switchport mode trunk
SW4(config)#interface fa0/19
SW4(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW4(config-if)#switchport mode trunk

SW4(config)#vlan 10
SW4(config-vlan)#vlan 20
SW4(config-vlan)#vlan 30
SW4(config-vlan)#vlan 40
SW4(config-vlan)#vlan 50
SW4(config-vlan)#vlan 60
SW4(config-vlan)#exit

Я хочу убедиться, что у нас есть транк для SW2 и SW3, и что SW4 знает обо всех VLAN. Давайте посмотрим, что SW4 думает обо всем этом:

SW4#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 4096
Address 0011.bb0b.3600
Cost 19
Port 19 (FastEthernet0/19)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address 0009.7c36.2880
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/16 Altn BLK 19 128.16 P2p
Fa0/19 Root FWD 19 128.19 P2p

Это то, что SW4 видит в сети VLAN 1. Имейте в виду, что эта VLAN была сопоставлена ​​с экземпляром 0. Он видит SW1 в качестве корневого моста, и вы можете видеть, какой порт находится в режиме пересылки и блокировки.

SW4#show spanning-tree vlan 10

VLAN0010
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 4096
Address 0011.bb0b.3600
Cost 19
Port 19 (FastEthernet0/19)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

Bridge ID Priority 32778 (priority 32768 sys-id-ext 10)
Address 0009.7c36.2880
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/16 Altn BLK 19 128.16 P2p
Fa0/19 Root FWD 19 128.19 P2p

VLAN 10, сопоставляется с экземпляром 2. SW4 рассматривает SW1 как корневой мост для этой VLAN, хотя мы сконфигурировали SW2 как корневой мост для экземпляра 2. Это совершенно нормально, потому что MST будет рассылать BPDU из IST во внешний мир. Мы не увидим никакой информации из экземпляра 2 или экземпляра 3 на SW4.

SW4#show spanning-tree vlan 40

VLAN0040
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 4096
Address 0011.bb0b.3600
Cost 19
Port 19 (FastEthernet0/19)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

Bridge ID Priority 32808 (priority 32768 sys-id-ext 40)
Address 0009.7c36.2880
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300

Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/16 Altn BLK 19 128.16 P2p
Fa0/19 Root FWD 19 128.19 P2p

VLAN 40 сопоставляется с экземпляром 3, но вы можете видеть, что SW4 видит SW1 в качестве корневого моста. SW4 получает тот же BPDU для всех сетей VLAN.

Выводы

Спасибо за уделенное время на прочтение статьи. Теперь Вы знаете как .

Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях.

Подписывайтесь на обновления нашего блога и оставайтесь в курсе новостей мира инфокоммуникаций!

Чтобы знать больше и выделяться знаниями среди толпы IT-шников, записывайтесь на курсы Cisco, курсы по кибербезопасности, полный курс по кибербезопасности, курсы DevNet (программируемые сети) от Академии Cisco, курсы Linux от Linux Professional Institute на платформе SEDICOMM University (Университет СЭДИКОММ).