Multiple Spanning Tree Protocol

Abkürzung: MST, stp

Was ist das Multiple Spanning Tree Protocol?

Das Multiple Spanning Tree Protocol, abgekürzt MSTP, ist eine standardisierte Erweiterung des Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Es ist im IEEE-Standard 802.1Q-2014 definiert und ermöglicht den Betrieb mehrerer unabhängiger Spanning-Tree-Instanzen innerhalb eines einzigen physischen Netzes. Jede Instanz kann eine eigene logische Topologie mit eigener Root Bridge und eigenen Port-Rollen abbilden. Mehrere VLANs werden dabei zu einer Instanz zusammengefasst, was den Steuerungsaufwand drastisch reduziert. MSTP vereint die schnelle Konvergenz von RSTP mit der Flexibilität, redundante Pfade lastabhängig zu nutzen, und ist der Nachfolger proprietärer Lösungen wie Ciscos PVST+ in heterogenen Umgebungen.

Die Grenzen von CST und PVST

Das klassische Spanning Tree Protocol (CST) berechnet einen einzigen schleifenfreien Baum für alle VLANs. Redundante Links bleiben ungenutzt, eine Lastverteilung auf verschiedene VLANs ist unmöglich. PVST+ löst dieses Problem, indem es jedem VLAN eine eigene Spanning-Tree-Instanz zuweist, funktioniert jedoch nur auf Cisco-Switches und skaliert schlecht. In großen Netzen mit Hunderten von VLANs erzeugt PVST+ enormen BPDU-Verkehr und belastet die CPU, weil jede Instanz eigene BPDUs sendet und verarbeitet. MSTP adressiert beide Probleme: Es reduziert die Anzahl der Instanzen durch Gruppierung und ist als offener Standard auf Geräten aller Hersteller einsetzbar.

Das MST-Region-Konzept

MSTP führt den Begriff der MST-Region ein. Eine MST-Region ist eine Gruppe von Switches, die dieselbe Konfiguration teilen. Drei Parameter definieren die Zugehörigkeit: der MST-Konfigurationsname, die Revisionsnummer und die Zuordnungstabelle, die VLANs auf Instanzen abbildet. Switches mit identischen Werten in allen drei Feldern gehören zur selben Region und tauschen untereinander MSTP-spezifische BPDUs aus. Geräte außerhalb der Region oder mit abweichender Konfiguration werden als externe Nachbarn behandelt und kommunizieren über den Common and Internal Spanning Tree (CIST).

Common and Internal Spanning Tree (CIST)

Der CIST ist der übergeordnete Spanning Tree, der alle MST-Regionen und alle nicht-MST-fähigen Switches zu einem globalen Baum verbindet. Jede MST-Region wirkt nach außen wie ein einzelner logischer Switch. Der CIST verhindert Schleifen zwischen den Regionen und stellt sicher, dass auch ältere Switches ohne MSTP-Unterstützung in die Topologie eingebunden werden können. Innerhalb der Region sorgt der CIST zusätzlich für einen einheitlichen internen Spanning Tree (IST), der als Grundgerüst für die Datenübertragung dient und die Stabilität der Region gewährleistet.

Multiple Spanning Tree Instances (MSTI)

Eine Multiple Spanning Tree Instance (MSTI) ist ein innerhalb der Region gültiger, eigenständiger Spanning Tree. Jede MSTI besitzt ihre eigene Root Bridge und unabhängige Port-Rollen. Der Administrator ordnet eine Gruppe von VLANs einer bestimmten MSTI zu. Die Zuordnung muss innerhalb der Region auf allen Switches identisch sein. MSTI 0 ist reserviert für den IST und darf keine weiteren VLANs enthalten. Alle weiteren MSTIs, beginnend mit der Nummer 1, können frei definiert werden.

Ein typisches Szenario fasst die VLANs 10, 20 und 30 zur MSTI 1 und die VLANs 40, 50 und 60 zur MSTI 2 zusammen. MSTI 1 nutzt den linken Uplink als aktiven Pfad und blockiert den rechten, während MSTI 2 den rechten Uplink aktiviert und den linken blockiert. Beide Pfade werden gleichzeitig für unterschiedliche VLAN-Gruppen genutzt, ohne dass ein physischer Link unausgelastet bleibt.

MSTP-BPDUs und ihre Funktion

MSTP verwendet ein spezielles BPDU-Format, das sich von klassischen STP- und RSTP-BPDUs unterscheidet. Eine MSTP-BPDU enthält die vollständige CIST-Information sowie einen Datenteil für die MSTIs. Jede MSTI trägt ihre eigene Root-Bridge-ID, Pfadkosten und Port-Prioritäten in die BPDU ein. Dadurch reicht eine einzelne BPDU aus, um den Zustand aller Instanzen zu kommunizieren, anstatt wie bei PVST+ für jedes VLAN eine separate BPDU zu senden. Der BPDU-Overhead bleibt auch bei vielen VLANs gering und die CPU-Belastung ist beherrschbar.

Konfiguration einer MST-Region

Die Einrichtung von MSTP erfordert die konsistente Konfiguration aller beteiligten Switches. Der Administrator legt den Region-Namen, die Revisionsnummer und das VLAN-to-Instance-Mapping fest. Anschließend werden die gewünschten Instanzen pro Switch mit einer eigenen Priorität versehen, um die Root-Bridge-Wahl gezielt zu steuern. Die Konfiguration wird nicht automatisch synchronisiert, sie muss manuell auf jedem Switch identisch eingerichtet werden. Abweichungen führen zu Split Regions und inkonsistentem Verhalten.

Lastverteilung mit MSTP

Die Lastverteilung mit MSTP funktioniert über die gezielte Zuordnung von VLANs zu verschiedenen Instanzen und die Steuerung der Root Bridges. Indem für MSTI 1 ein anderer Switch zur Root Bridge gemacht wird als für MSTI 2, nehmen die Instanzen unterschiedliche Wege durch das Netz. Ein Uplink, der in MSTI 1 blockiert ist, wird in MSTI 2 aktiv und umgekehrt. Beide physischen Verbindungen transportieren Nutzdaten, und die verfügbare Gesamtkapazität wird ausgeschöpft. Der Administrator kann die Verteilung granular an die VLAN-Struktur und die erwarteten Verkehrsmuster anpassen.

Abgrenzung zu PVST+ und RSTP

MSTP unterscheidet sich in zentralen Punkten von anderen Spanning-Tree-Varianten.

• RSTP: Ein einziger Spanning Tree für alle VLANs. Schnelle Konvergenz, aber keine Lastverteilung pro VLAN möglich.
• PVST+: Ein Spanning Tree pro VLAN. Maximale Granularität und Lastverteilung, aber hoher BPDU-Overhead und nur auf Cisco-Geräten verfügbar.
• MSTP: Gruppiert VLANs zu Instanzen, reduziert die Anzahl der Spanning Trees auf das nötige Maß und ist als offener Standard herstellerunabhängig. Gilt als ideale Lösung für große, VLAN-basierte Netze in heterogener Umgebung.

Kompatibilität und Interoperabilität

MSTP ist vollständig abwärtskompatibel zu RSTP und STP. Ein MSTP-Switch erkennt einen Nachbarn, der nur RSTP oder STP beherrscht, und kommuniziert mit diesem über den CIST auf Basis des gemeinsamen Standards. Innerhalb der MST-Region läuft das erweiterte Protokoll, außerhalb verhält sich die Region wie eine einzelne RSTP-Brücke. Diese abgestufte Kompatibilität ermöglicht die schrittweise Migration von älteren Spanning-Tree-Verfahren zu MSTP, ohne dass das gesamte Netz auf einmal umgestellt werden muss.

Praktische Anwendung und Grenzen

MSTP ist die empfohlene Spanning-Tree-Implementierung für große Unternehmensnetze, Rechenzentren und Campus-Umgebungen mit mehreren VLANs und redundanten Pfaden. Es vereint die Leistungsfähigkeit von RSTP mit einer skalierbaren Architektur für VLANs und ist die offene Alternative zu proprietären Lösungen. Die manuelle und zwingend identische Konfiguration aller Region-Mitglieder stellt jedoch eine Quelle für Fehler dar. Abweichungen im Namen, der Revisionsnummer oder der VLAN-Zuordnungstabelle führen zu getrennten Regionen und unerwartetem Verhalten. In sehr großen Installationen werden Werkzeuge zur automatisierten Konfigurationsverteilung empfohlen, um die Konsistenz sicherzustellen. Trotz dieser Anforderung bleibt MSTP der leistungsfähigste standardisierte Spanning-Tree-Mechanismus für VLAN-basierte Layer-2-Netze.