快速生成树原理详解

Rapid STP RSTP/RPVST+

Edge Port是Rapid STP中的一个新的端口类型，它的作用相当于Port Fast，但如果该端口收到了BPDU，则它将直接转换为普通端口。在Cisco设备中，边缘端口的实现还是通过Port Fast关键字。

Rapid STP还添加了链路属性这一概念，RSTP只能在点到点链路和边缘端口启用快速转发（直接进入Forward模式），RSTP根据端口类型将会自动设定链路属性，手工设定可以覆盖自动配置的设定。

• Shared——半双工模式自动配置
• Point to Point——全双工模式自动配置

RSTP/RPVST+ Post States and Roles

快速生成树的端口状态只有三种：

• Forwarding
  • 发送和接受用户数据
• Learning
  • 建立MAC地址表
• Discarding
  • 对应的是Listening、Blocking、Disabled三种状态

​ 快速生成树新增了两种端口角色：

• Alternate
  • 它提供了到达根交换机的备用路径，默认情况为Blocking（Discarding）。
• Backup
  • 它提供了到达同一网段的备用路径，默认情况为Blocking（Discarding）。

BPDU in RSTP

在802.1D中，只有根交换机才能发送BPDU，通过其余的交换机向下中继，由于这样的形式，这就导致802.1D的收敛必须等待网络平稳后才能进行。
RSTP使用802.1D的BPDU格式来实现向后兼容，但是在消息类型（Message Type）字段中使用了一些未使用的位。BPDU中的Version字段也被设置为2，来区分802.1D BPDU和RSTP BPDU。RSTP使用交互式的过程，以便交换机协商状态的变化。

无论交换机有没有收到来自根交换机的BPDU，BPDU都会根据Hello Time的间隔（默认2秒钟）从所有端口发送BPDU。如果连续丢失3个BPDU时（6秒没有收到BPDU），则交换机就能够检测到邻居故障，相较于802.1D速度更快。

RSTP/RPVST+ Fast Converge

传统的802.1D收敛速度慢主要是因为Timer多，时间长，才能安全地允许交换机端口转发数据。
当交换机参与树形拓扑时，RSTP使用不同的策略。当交换机首次加入拓扑或在现有拓扑中检测到故障时，RSTP要求它根据端口类型做出转发决策。
当交换机需要做出STP决策时，会与最近的邻居进行握手，如果握手成功，则将不断地向后进行握手直至抵达网络边缘。在握手过程中，交换机必须保障握手之前，不会引入循环。这通过同步过程来完成。

RSTP/RPVST+ Synchronization Process

非边缘端口从Discarding状态开始。在交换机交换BPDU之后，就能够选举出根桥。
​如果一个端口收到了更好的BPDU，则该端口成为根端口。对于每一个非边缘端口，交换机都会交换一个提议，即通过握手的方式来决定链路的每一端的状态。
​每台交换机都假定自己的端口都应成为指定端口，并向邻居发送建议消息（Configuration BPDU）来建议这一事件。

• 如下图，假设根交换机与交换机A新建立了连接，此时两个交换机的端口都处于阻塞状态（Discarding），直到它们收到对方的BPDU。

  • 当一个指定端口在Discarding或Learning状态时，它发出的BPDU中的Proposal位将会被置为1。

• 交换机A收到了更优的BPDU后会将P1调整为根端口。

• 交换机A开始同步，以确保交换机上的端口与最新收到的消息一致，如果满足以下条件其一，则端口处于同步状态：

  • 端口处于阻塞状态，也就是在拓扑中为Discarding状态。
  • 端口为边缘端口。

• 在下图中，P2与P4已经满足条件，交换机A只需要将P3的状态改为Blocking，并将其分配为Discarding角色。

• 那么现在交换机A的所有端口已处于同步状态，交换机A可以解除P1端口的Blocking状态，发送一条同意消息来回复根交换机。

  • 这个消息是Proposal BPDU的副本，但修改了BPDU中Proposal Bit = 0 Agreement Bit = 1，这样能够让根交换机区分出它收到的Agreement对应于哪个Proposal。

• 一旦P0端口收到该消息，它就立刻将端口状态转换为转发状态。

• 此时P3仍处于Discarding状态，然后继续向外转发BPDU，向邻居开始建立握手（同步过程），并尝试快速切换到转发状态。

以上的这种机制是非常快的，因为它并不依赖任何计时器，这种握手方式以波的形式迅速地向网络边缘进行传播，并且能在拓扑发生变化时迅速恢复连通性。同时也能够兼容802.1D协议。
如果发送提议后没有收到回应，它会慢慢进入转发模式，并退回802.1D的生成树模式。如果对端交换机不使用RSTP，或者对端交换机端口处于Blocking状态，就可能发生以上的状况。

RSTP/RPVST+ New Topology Change Mechanisms

​ 在RSTP中，只有端口转移到Forwarding状态的非边缘端口才会引起拓扑的变化。这与802.1D的生成树正好相反，端口进入到Blocking状态将不再被视为拓扑变化。当运行RSTP的交换机检测到拓扑更改时，会发生以下情况。

• 如有必要，它将启动TC While计时器，计时器的值约等于所有非边缘端口和到根端口的Hello Time的两倍。
  • 只要该计时器在端口上运行，该端口发出的BPDU就会将TC bit置为1，在计数器为活动状态的时候，根端口也会发出BPDU。
• 收到该BPDU的交换机，会刷新所有和这些端口关联的MAC地址。

RSTP/RPVST+ Topology Change Propagation

​ 当交换机从邻居收到了TC bit置为1的BPDU时，会发生以下的情况。

• 它清除在其所有端口学习到的MAC地址，接受拓扑更改的端口除外。
• 它启动了TC While计时器，并在所有指定端口和根端口发送了TC bit 置为1的BPDU。（RSTP不再使用特定的TCN BPDU，除非需要通知802.1D的交换机。）

这样，TCN消息会很快充斥在整个网络中，而且只用到了一步过程。实际上，拓扑更改的发起者会在整个网络中传播此消息，而802.1D只有根交换机才会这样做。这种机制相较于802.1D快很多，无需根交换机，就可以将网络的拓扑更改状态保持在Max Age + Forward Delay秒。