生成树协议RSTP
生成树协议RSTP
1.1 RSTP引入
STP可以消除二层网络中的环路并为网络提供冗余性，但是STP的收敛时间最长需要50s，相对于三层协议OSPF或VRRP秒级的收敛速度，STP无疑成为影响网络性能的一个瓶颈。为解决STP收敛速度慢的问题，IEEE在STP协议的基础之上进行了改进，推出了快速生成树版本——RSTP。
RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议)的IEEE802.1w，其消除环路的基本思想和STP保持一致。RSTP具备了STP的所有功能，支持RSTP的网桥可以和支持STP的网桥一同运行。
和STP相比，RSTP的改进之处包括如下内容。
（1）RSTP减少了端口的状态
（2）RSTP增加了端口的角色
（3）RSTP配置BPDU的格式和发送方式有所改变。
（4）当网络拓扑发生变化时，RSTP的处理方式不同，可以实现更为快速的收敛。
- RSTP的端口状态
在STP中端口状态和端口运行方式并没有细致的区分，例如从端口运行角度看，端口处于Blocking状态和处于Listening状态没有任何区别
如表1-1所示，RSTP将端口状态分为Discarding、Learning和Forwarding状态。STP中的Disabled、Blocking和Listening状态在RSTP都对应为Discarding状态。
| STP端口状态 | RSTP端口状态 | 是否发送BPDU | 是否进行MAC地址学习 | 是否收发数据 |
|---|---|---|---|---|
| Disabled | Discarding | 否 | 否 | 否 |
| Blocking | Discarding | 否 | 否 | 否 |
| Listening | Discarding | 是 | 否 | 否 |
| Learning | Lerarning | 是 | 是 | 是 |
| Forwarding | Forwarding | 是 | 是 | 是 |
进行RSTP计算时，端口会在Discarding状态完成角色的确定，当端口确定为根端口和指定端口后，经过Forward Delay端口会进入Learning状态；当端口确定为Alternate端口后，端口会维持在Discarding状态。
处于Learning状态的端口其处理方式和STP相同，此状态期间开始学习MAC地址并在Forward Delay后进入Forwarding状态开始收发数据。
在实际运行中，由于RSTP提供了快速收敛机制，端口从Discarding状态转换到Forwading状态的时间通常远小于30s。
- RSTP的端口角色
RSTP中根端口和指定端口角色的定义和STP相同。每一个非根桥都有一个根端口，从该端口出发到达根桥的路径，是本网桥到达根桥的所有路径中最优的。每一个Physical Segment都会选举一个指定桥，指定桥在Physical Segment上的端口即本Physical Segment的指定端口，指定端口拥有该Physical Segment上最优的配置BPDU。
RSTP将STP中的Alternate端口角色进一步划分为两种，其中一种角色为Backup，另一种角色名称仍为Alternate。具体划分原则如下：
（1）当阻塞端口收到更优的配置BPDU来自于其他网桥时，该端口为Alternate端口。
（2）当阻塞端口收到更优的配置BPDU来自于本网桥时，该端口为Backup端口。
Alternate端口为网桥提供了一条到达根桥的备用路径，用于为根端口做备份；Backup端口为网桥提供了到达同一个Physical Segment的冗余路径，用于为指定端口做备份。
- RSTP的BPDU格式及发送方式
RST BPDU格式和STP的BPDU格式非常相似，仅在如下几个字段有所不同。
（1）BPDU协议版本号为0x02，表示为RSTP协议。
（2）BPDU类型变为0x02，表示为RST BPDU。
（3）RSTP使用了Flags字段的全部8位。
（4）RSTP在BPDU的最后增加了Versionl Length字段，该字段值位0x00，表示本BPDU中不包含Versionl内容。
在STP中，通常情况下只有根桥可以产生配置BPDU，非根桥从根端口接收配置BPDU并更新为自己的配置BPDU，然后从指定端口发出，非根桥不会主动产生并发送配置BPDU。
RSTP对BPDU的发送方式做了改进，RSTP中网桥可以自行从指定端口发送RST BPDU，不需要等待来自根桥的RST BPDU,BPDU的发送周期为Hello Time。
由于RSTP中网桥可以自行从指定端口发送RST BPDU，所以在网桥之间可以提供一种保活机制，即在一定时间内网桥没有收到对端网桥发送的RST BPDU，即可认为和对端网桥中断。
STP不支持这种保活机制，因为STP中配置BPDU仅由根桥产生，其他网桥仅对配置BPDU进行中继，传递路径上的任何故障都可能导致接收者无法收到配置BPDU，所以网桥在一段时间内收不到配置BPDU不能判断为与对端网桥连接中断。
RSTP规定，若在3个连续的Hello Time时间内网桥没有收到对端指定桥发送的RST BPDU，则网桥端口保存的RST BPDU老化，认为与对端网桥连接中断。新的老化机制大大加快了拓扑变化的感知，从而可以实现快速收敛。
在STP中只有在指定端口收到低优先级的配置BPDU时，才会立即回应。处于阻塞状态的端口不会对低优先级的配置BPDU做出响应。
在RSTP中，如果阻塞端口状态的端口收到低优先级的RST BPDU，也可以立即对其做出回应。
1.2 RSTP快速收敛
在STP中，为避免临时环路，端口从使能到进入转发状态需要等待默认30s的时间，如果想要缩短这个时间，只能通过手动方式将Forward Delay设置为较小的值。但是Forward Delay是由Hello Time和网络直径共同决定的一个参数，如果将Forward Delay设置太小，可能会导致临时环路的产生，影响网络的稳定性。
RSTP从根上进行了改进，定义了多种快速收敛机制，包括边缘端口机制、根端口快速切换机制、指定端口快速切换机制。其中，指定端口快速切换机制也称为P/A机制。
-
边缘端口
当端口直接与用户终端相连，而没有连接到其他网桥或局域网网段上时，该端口即为边缘端口。
边缘端口连接的是终端，当网络拓扑变化时，边缘端口不会产生临时环路，所以边缘端口可以略过这两个Forward Delay的时间，直接进入Forwarding状态，无需任何延时。
由于网桥无法自动判断端口是否直接与终端相连，所以用户需要手动将与终端连接的端口配置为边缘端口。
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根端口快速切换
RSTP定了了Alternate端口，为根端口做备份。当旧的根端口进入阻塞状态时，网桥会选择优先级最高的Alternate端口作为新的作为新的根端口，如果当前新根端口连接的对端网桥的指定端口处于Forwading状态，则新根端口可以立刻进入转发状态。
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指定端口快速切换
当网络中增加新的链路或故障链路恢复时，链路两端必然有一个端口角色是指定端口，在STP中，该指定端口需要等待默认30s的时间才会进入Fowarding状态。
RSTP定义了Proposal/Agreement机制（P/A机制），指定端口可以通过与对端网桥进行一次握手，即可快速进入转发状态，期间不需要任何定时器。P/A机制可以实现网络拓扑的逐链路收敛，而不必像STP，需要被动等待30s的时间以确保全网实现收敛。
当新链路连接时，链路两端的端口初始都为指定端口并处于阻塞状态。当指定端口处于Discarding状态和Learning状态时，其所发送的RST BPDU中的Proposal位将被置位，端口角色位为11，表示端口为指定端口。收到Proposal置位的RST BPDU后，网桥会判断接收端口是否为根端口，如果是，网桥会启动同步过程。同步过程指网桥阻塞除边缘端口之外的所有端口，在本网桥层面消除环路产生的可能。
1.3 RSTP中的拓扑改变处理
在STP中，端口变为Forwarding状态，或从Forwarding状态到Blocking状态均会触发拓扑改变处理过程。和STP相比，RSTP优化了拓扑改变触发条件，其拓扑改变触发条件只有一个：非边缘端口转变为Forwording状态。在RSTP中，链路中断将不会直接触发拓扑改变处理过程。
当网桥由非边缘端口转变为Forwarding状态时，网桥会在两倍的Hello Time时间内向根端口以及其他所有指定端口发送TC置位的RST BPDU，同时会清除这些端口学习到的AMC地址。
当其他网桥收到TC置位的RST BPDU后，会清除接收TC报文的端口以及边缘端口之外的其余端口的MAC地址，并在两倍Hello Time时间内向指定端口和根端口发送TC置位的RST BPDU。
通过这种方式，拓扑改变消息会很快速泛洪到整个网络，而不必等待根桥来通知网桥网络拓扑发生了变化。
1.4 RSTP和STP的兼容
RSTP是STP的改进版本，可以支持STP的所有功能，也可以和STP兼容运行。当运行RSTP的网桥的端口连续3次接收到配置的BPDU时，网桥认为该端口和STP网桥相连，该端口将切换到STP协议运行。
切换到STP协议的RSTP端口将丧失快速收敛特性，即从阻塞端口转发需要等待默认30s的时间，建议当网络中出现STP和RSTP混用的情况时，将STP设备放在网络边缘，从而将影响范围降到最小。
