RSTP快速生成树协议之(三):RSTP对STP的改进以及数据包分析
RSTP快速生成树协议之（三）
RSTP对STP的改进以及数据包分析
在RSTP快速生成树协议之（一）STP协议的不足中，已经列举了STP协议中的各种弊端：初始化时间长；拓扑变更时收敛时间长，机制复杂；连接终端造成不必要的计算；以及端口角色和端口状态的不足等。所以，本节笔记将会介绍RSTP对STP这些弊端的改进措施。
在讨论RSTP对STP的改进前，可以先去了解一下之前的笔记，其中介绍了STP有哪些不足之处：
参考链接：https://www.cnblogs.com/zylSec/p/14651273.html
RST BPDU（RSTP的BPDU报文）
RSTP协议的BPDU格式和STP协议是相同的，但是报文参数略有不同。
（1）BPDU Type字段
RSTP使用了类似STP的BPDU报文，即RST BPDU报文。而报文中的BPDU Type字段则是用来区分不同STP协议的BPDU报文的。
STP协议的BPDU Type字段是0（0x00）时，代表这个报文是配置BPDU；当是128（0x80）时，代表这个报文是TCN BPDU（Topology Change Notification）；当是2（0x02）时，则代表是RSTP的RST BPDU报文。
Tips：BPDU Type是0x02时，不仅可能是RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU），还可能是MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）。
（2）flags字段
在STP协议中，BPDU的报文中flags字段只定义了拓扑变化TC（Topology Change）和拓扑变化确认TCA（Topology Change Acknowledge），而其他字段是保留的。
而在RSTP的RST BPDU中，flags还使用了其他的字段，它把原来保留的中间6位都利用了起来。这新增的6位作用包括表示P/A进程，定义端口角色和端口状态。这样改变了配置BPDU的叫RST BPDU。
以下是flags字段中各bit所代表的含义：
TCA（第7 bit，高位）： 拓扑改变响应位，STP笔记中有提及，不再赘述
Agreement（第6 bit）： P/A进程的A置位。详细用途会在下面讲P/A机制时再进行探讨
Forwarding（第5 bit）： 为真时表示端口的状态是Forwarding，此时端口处于既转发用户流量又学习MAC地址的状态。
Learning（第4 bit）： 为真时表示端口的状态是Learning，此时端口处于学习MAC地址，但不转发用户流量的状态。
Flags（第3和2 bit）： 表示端口角色（Port Role），因为占2个比特，可以表示4种不同的端口角色。
Proposal：（第1 bit）： P/A进程的P置位，详细用途会在下面讲P/A机制时再进行探讨。
TC（第0 bit，低位）： 拓扑改变位，STP笔记中有提及，不再赘述。
Tips：端口角色（Port Role）不同取值的不同含义
Port Role = 00 时，为Unkown未定义
Port Role = 01 时，为Alternate Port 预备端口 /Backup Port 备份端口
Port Role = 10 时，为Root Port根端口
Port Role = 11 时，为Designated Port指定端口
针对问题一的改进：P/A机制
我们知道，STP有初始化环境下收敛时间长的问题，为了改进这个问题，RSTP提出了P/A机制。
（1）P/A机制的基本原理
P/A机制，即Proposal/Agreement机制，中文对应是提议/同意机制。它的目的是使一个指定端口尽快的进入到Forwarding状态中。
P/A机制要求两台交换设备之间链路必须是点对点的全双工模式。一旦P/A协商不成功，指定端口的选举就会回到STP的协商方式，就需要等待两个Forward Delay（30秒）时间。
相对于STP来说，P/A带来了来回确认机制和同步变量机制，而不再需要等待计时器超时来保障无环路。
（2）P/A机制的具体工作过程
通过P/A机制，RSTP是这样加快拓扑收敛的速度的。如下图所示，局域网内有三台刚开启的运行RSTP协议的交换机：
阶段一：
由于设备刚启动，与STP一样，所有交换机都会认为自己是根桥。不同的是，此时交换机会向其他交换机发送P置位（即Flags中的Proposal位置为1）的BPDU报文（以下将这种报文简称为P消息），这个BPDU报文包含了该交换机的配置信息；并把发送P消息的端口变成指定端口（DP口），同时端口状态处在Discarding状态。如上图所示。
阶段二：
由于SWA的桥优先级是最高的，所以SWA不会对SWB或SWC发来的BPDU做出反应，而是继续发送自己的P消息。
SWB和SWC收到SWA发送过来的P消息，对比桥优先级后一致认为SWA才是根桥，此时他们就会根据P/A机制协商流程向SWA回复A置位（即Flags中的Agreement位置为1）的BPDU（以下将这种消息简称为A消息）。并把自己的发送端口改为根端口（RP），同时端口处于Forwarding状态，可以进行数据转发。
阶段三：
此时SWB与SWA，SWC与SWA的P/A协商基本完成，接下来就是SWB和SWC之间的P/A协商。以下是协商的过程：
Step 1：SWB和SWC都会发送根桥为SWA的P消息给对方。
Step 2：SWC收到SWB的P消息后，发现P消息里虽然根桥和自己认可的一样，但是发送者的桥优先级比自己高(SWB>SWC)，所以会马上停止发送P消息，但是由于已经有端口是根端口（RP），也不会回A消息。
Step 3：SWB收到SWC的P消息后，发现P消息里虽然根桥和自己认可的一样，但是发送者的桥优先级比自己低(SWB>SWC)，所以会继续不停地发送P消息。
Step 4：以上状态在等待2个Forward Delay（30秒）时间后，SWB的桥优先级比较高，所以SWB的端口为指定端口（DP），处于Forwarding状态；SWC的桥优先级比较低，所以SWC的端口为预备端口（AP），处于Discarding状态。
实际上SWB与SWC之间的协商等同于退回到STP的模式，但是反正是Discarding状态，根本不影响其他业务转发。
Tips：以上就是RSTP使用P/A机制进行选举端口角色的过程。可以看出，其原理从本质上还是和STP协议是相同的。流程都可以总结如下：
选举根桥（根交换机）=》 选举根端口 =》选举指定端口 =》选举预备端口和备份端口
RSTP在这个流程的基础上，加入了“发起提议-同意回复”（P/A机制）这种确认机制，正是因为在每个步骤有确认机制的接入，就再不需要依赖计时器来保证网络拓扑无环才去转发，只需要考虑BPDU发送报文并计算无环拓扑的时间（一般都是秒级）。
针对问题二的改进：根端口快速切换机制
在STP协议中，如果一台非根交换机的根端口（RP）因故障原因突然down了，那么其阻塞端口（BP）则需要等待两倍的Forward Delay（30秒）时间才能重新进入Forwarding（转发）状态。那么RSTP是如何解决这个问题的呢？
如图所示：非根交换机SWC的根端口（RP）突然发生故障而down了。
RSTP定义中，作为到根桥的备份，其新增了端口角色：预备端口Alternate Port（以下简称AP）。为加快收敛时间，当设备上旧的根端口失效时，预备端口就可以在保证链路无环的情况下，从Discarding状态立刻迁移到Forwarding状态。
RSTP协议中，预备端口（AP）要切换成根端口（RP）并进入转发状态可以在秒级时间内完成收敛。这样就可以解决STP收敛慢的问题。
针对问题三的改进：次等BPDU处理机制
在问题二中，我们讨论的是当非根交换机的根端口down了，而另一个端口是预备端口时的情况，由于预备端口不参与转发BPDU，所以交换机可以很快的将该端口切换成根端口。
那么如果另一个端口是指定端口（DP）的情况呢？
在STP协议中，由于对端交换机收到了次优的BPDU且不做处理，需要等计时器超时（20秒），交换机才会知道拓扑发生了变更。而想要重新选举，还要等待两倍的Forward Delay（30秒）的时间，才能让拓扑收敛。那么，RSTP又是如何改进这个问题的呢？
如上图所示：SWB与根桥SWA之间的链路发生故障，使得根端口down了，接下来RSTP协议的协商过程如下：
Step 1：SWB感应到自己的根端口发生故障，失去了与根桥的联系。于是开始将自己作为根桥，向外发送Proposal置位的BPDU。
Step 2：SWC的预备端口（AP）收到次优BPDU后会马上发送本地最优的BPDU给对端SWB，同时端口角色从预备端口（AP）变更为指定端口（DP）。
Step 3：SWB收到更优的BPDU，会立即重新定义端口角色，将原指定端口（DP）端口改为根端口（RP），然后发送Agreement置位的BPDU。
Step 4：SWC在收到Agreement置位的BPDU后会立即进入转发状态。
RSTP处理次等BPDU报文时，不再依赖于任何定时器超时解决拓扑收敛，而是会立即发送本地最优的BPDU给对端，从而加快了拓扑收敛。
针对问题四的改进：引入边缘端口
在STP协议中，即使是连接终端的链路也都参与到拓扑收敛的计算中。但是只要确保终端设备不会出现环路，那么纳入STP的计算和使用等待计时器超时的机制都是不必要的。
为此，RSTP引入了边缘端口的概念。只要设置连接终端的端口为边缘端口，那么交换机上的该对应链路可立即进入转发状态。
交换机上连接终端设备的接口设置成为边缘端口后，不会参与STP的计算，而会立即进入转发。
Tips：
但当该端口收到BPDU后，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算。
RSTP中对STP的改进已经大致介绍了，但其实这只是浅显的理解，RSTP的改进之处还远远不止这些。下一次的笔记会继续介绍关于RSTP的保护功能。
RSTP快速生成树协议笔记之(一)：STP协议的不足
https://www.cnblogs.com/zylSec/p/14651273.html
RSTP快速生成树协议笔记之(二)：端口角色和端口状态的改进
https://www.cnblogs.com/zylSec/p/14655908.html
RSTP快速生成树协议之(三):RSTP对STP的改进以及数据包分析
https://www.cnblogs.com/zylSec/p/14665145.html
RSTP快速生成树协议之(四)：RSTP的保护功能
https://www.cnblogs.com/zylSec/p/14672493.html
RSTP快速生成树协议之(五)：RSTP配置实例与抓包分析
