HCNP Routing&Switching之RSTP

　　前文我们了解了vlan优化，vlan聚合技术super vlan相关话题，回顾请参考https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/16208997.html；今天我们来聊一聊RSTP相关话题；

　　我们知道二层网络中一旦产生环路，将导致整个网络瘫痪不可用，为了防止二层环路，stp技术由此诞生；stp主要作用就是通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路，同时当活动链路发生故障时，激活冗余链路及时恢复网络连通性，从而实现网络的可靠性；

　　RSTP技术背景

　　STP协议虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛较慢，影响了用户通信质量，而且如果网络中的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断；

　　由于STP的不足，IEEE与2001年发布了802.1w标准定义了RSTP；RSTP在STP基础上进行了诸多改进优化，使得协议更加清晰、规范，同时也实现了二层网络拓扑的快速收敛；

　　STP存在的问题

　　1、设备运行STP初始化场景

　　提示：上图清楚描述了STP从启动到收敛完成，用户至少需要等待30秒，网络才能正常使用；

　　2、直连故障--交换机有BP端口，RP端口down场景

　　提示：如上图所示，swc与swa的直连链路down掉，其BP端口切换成RP端口并进入转发状态至少需要等待30秒；当交换机C感知到自己的根端口down掉以后，对应就会从其他端口选举RP；从上图可以看到swc就两个端口，所以bp端口被选举成RP，中间会经历listening到learning，learning到forwarding状态转换，所以当二层网络中，交换机有bp端口，RPdown掉以后，至少需要等待30s，对应bp才会被切换到RP；

　　3、非直连故障--交换机无BP端口，RP端口down场景

　　提示：如上图所示，非直连故障，由于swb上的rpdown掉以后，swb的dp会认为自己是是根（因为它收不到真正的根发送的bpdu），然后向外发送bpdu,此时swc的bp端口收到swb发送的bpdu以后，发现没有自己缓存里bpdu好，所以它不做任何处理；但是由于swb的rp down掉以后，对应swc的bp端口也无法正常收到swa发送的bpdu，于是swc的bp端口会等待20秒时间（缓存老化时间）；swc的bp端口等待缓存超时以后，此时swc的bp端口会切换成dp，然后状态又要从listening到learning，learning到forwarding状态转换，所以非直连故障，stp至少需要等待50秒网络才会收敛完成；

　　4、交换机连接用户终端场景

　　提示：如上所示，如果stp网络中有新的端口被激活，对应stp又会重新计算初始化，这个过程会让网络至少30秒不可用（stp初始化时，所有端口都会从阻塞，中间会通过计算，端口从listening到forwarding会等待30秒）；很显然连接中断的端口也会导致stp重新计算，从而导致网络的震荡；事实上连接终端的端口是不应该参与到stp计算的（产生环路的可能性极低，没有必要参与stp计算）；

　　5、STP的拓扑变更机制

　　提示：stp中如果有拓扑变化，为了使得全网交换机的mac地址表能够更快的更新，stp采用tcn消息和tc来通知所有交换机将mac地址表的老化时间从300秒调整到15秒；如上图所示，当swc感知拓扑变化后，它会向根的方向发送tcn消息，收到该消息的上游交换机会恢复tca确认消息，最后tcn消息到达根桥以后，再由根桥发送tc消息，通知设备删除桥mac地址表项；机制复杂，效率低下；

　　6、STP的其他不足之处-端口角色

　　提示：STP的端口角色就只有三个，RP、DP和BP，其中BP切换成RP或DP都会重新选举且需等待计时器超时后才能进入转发数据；

　　7、STP的其他不足之处-端口状态

　　提示：STP有5种端口状态，其中disabled、blocking、listening这三种状态不转发用户流量，不学习mac地址；对于用户来讲，这三种状态都是一个效果，但在stp中必须经历这三个状态，使得网络收敛时间变得更长；

　　通过上述的阐述，我们可以看到stp有许多的不足，总之就是一个字慢，不稳定很容导致网络震荡；

　　RSTP（Rapid spanning Tree Protocol，快速生成树协议），它是从STP发展而来，实现的基本思想和STP一致，都是通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路，同时当活动链路发生故障时，激活冗余链路及时恢复网络连通性，从而实现网络的可靠性；RSTP具备STP的所有功能，可以兼容STP；RSTP不同于STP，最大的特点就是比STP快；RSTP通过减少了端口状态、增加端口角色、BPDU格式及发送方式不同，当交换网络拓扑结构发生变化时，RSTP可以更快地恢复网络的连通性；

　　RSTP的端口角色

　　提示：RSTP将端口角色增加到4个，分别是RP（根端口，所在交换机上离根交换机最近的端口，处于转发状态）、DP（指定端口，转发所连接到网段发往根交换机方向的数据，从根交换机方向发往所连接的网段的数据，处于转发状态）、AP（预备端口，根端口的备份，不处于转发状态）和BP（备份端口，指定端口的备份，不处于转发状态）；

　　RSTP的端口状态

　　提示：RSTP将端口状态从stp的5个状态减少到3个状态；在stp中disabled、blocking、listening这三种状态归并为一个discarding状态；

　　RST BPDU格式

　　提示：相对于STP BPDU格式，在RST BPDU中 protocol Version ID变成了2，BPDU Type变为了2，使用了Flags字段的全部8位（STP只使用了，最高位和最低位）；在RST BPDU的Flags字段中，除TC以及TCA标志位（蓝色小框），还包含P/A标志位（黄色小框）、端口状态标志位（紫色小框）以及端口角色标志位（红色小框）；

　　P/A机制--针对STP初始化场景改进

　　提示：在交换机开机的时候，每个交换机的端口都会认为自己是根，所以都会发送P置位的BPDU（端口状态标志位为discarding，端口角色标志位DP）；当对端收到对应BPDU后，会根据BPDU携带的优先级等信息来判断谁是根，如果对方发送到BPDU优先级由于自己，对应接收到BPDU的端口会恢复一个A置位（端口状态标志位为forwarding，端口角色为RP）的BPDU；当对端收到A置位的BPDU报文后，对应端口立即进入forwarding状态，进行数据转发；通过上述的来回确认和同步变量机制，就无需依靠计时器来保障无环；从而大大节省了初始化时长（通常这个会在几秒中之类完成，相对于STP的30秒快了很多）；

　　RSTP选举原理和STP本质上是相同的，都是先选举根桥，然后在举非根交换机上选举根端口->选举指定端口->选举预备端口和备份端口（有关选举规则的说明请参考https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/15131999.html）；但是RSTP在选举的过程中加入了“发起请求-回复同意”（P/A机制）这种确认机制，由于每个步骤有确认就不需要依赖计时器保证网络拓扑无环才转发，只需要考虑BPDU发送报文并计算无环拓扑的时间（一般为秒级）；

　　根端口快速切换机制--针对STP直连故障场景

　　提示：SWC与SWA的直连链路down掉以后，其AP端口切换成RP端口，并进入转发状态完成收敛；这个是内部机制，在RSTP中，AP端口就是为RP端口的备份，当交换机感知自己的RP端口down掉以后，对应AP端口会立即变为新的RP并进入Forwarding状态；

　　次优BPDU处理机制--针对STP非直连故障场景

　　提示：次优BPDU处理机制本质上还是P/A处理机制；如上图所示，当交换机swb 的RP down掉以后，swb收不到BPDU，所以它会认为自己是根，然后发送P置位的BPDU，当swc的AP端口收到swb发送的P置位的BPDU后，这个时候swc不是不处理（stp中swc并不会直接处理，而是等待20秒超时），而是发送本地最优BPDU给对方，告诉对方不是根，自己从AP端口角色变为DP；随后swb收到swc的最优BPDU后，他会将端口的角色从DP更改为RP，然后发送A置位的BPDU给swc，当swc收到swb发送的A置位BPDU后，立即进入到转发状态；

　　边缘端口的引入--针对STP中接入终端端口参与STP计算场景

　　提示：在RSTP中，交换机连接终端的链路可以立即进入转发状态，无需像STP中那样，必须参与STP计算；当然这个需要我们在交换机上配置那些端口为边缘端口（在端口模式下使用命令：stp edged-port enable开启对应端口为边缘端口）;在对应端口下开启边缘端口后，对应端口就不会参与到stp计算中，当终端插拔网线都不会对STP网络造成震荡；当然边缘端口如果收到BPDU的话，对应也会参与到stp的计算（这是一种不正常的现象，这意味着要么有人在攻击，要么是我们把线接到交换机上了，默认终端是不会发送BPDU）；

　　RSTP拓扑改变处理机制--针对STP中拓扑变更处理机制优化

　　提示：在RSTP中，当拓扑发生改变，不再使用TCN，而是直接发送TC；触发拓扑变更的条件，只有非边缘端口转变为Forwarding状态时，才认为拓扑发生了变更；拓扑发生变更处理机制是，在两倍Hello时间内（4秒）内向所有其他指定端口和根端口发送TC置位BPDU报文；清除除接收到TC报文的端口之外的所有指定端口和根端口学习的mac地址；如下所示