RSTP协议原理与配置
RSTP协议原理与配置
前言：STP生成树协议虽然能够解决环路的问题，但是存在着网络拓扑收敛较慢，无法适应网络拓扑结构的频繁变化等缺点，基于以上不足，IEEE在2001年发布的802.1w标准定义了RSTP(快速生成树协议)。
一、STP的不足
问题一： 初始状态收敛时间过长
在STP中，交换机从初始状态到收敛状态至少需要30s，过程如下所示：
第一个15s（Listening->Learning）：STP为了避免路由环路，必须等待足够长的时间（确保BPDU能够同步发送至全网各个节点）确保全网的状态全部确定才能进入转发。
第二个15s（Learning->Forwarding）：在STP进入转发前还需根据收到的用户流量构建MAC地址表，等待计时器超时才能进入转发状态。
问题二：BP端口进入转发状态时间长
- 直接链路收敛
如上图所示，SWA与SWC之间的直连链路断开，于是SWC上的BP端口开始由Blocking（阻塞）状态向Forwarding（转发）状态改变。由于BP在SW2上，故收敛时不需要等待20s的老化时间，先是直接由Blocking（阻塞）状态变为Learning（学习）状态，再完成对Forwarding（转发）状态的改变。
- 间接链路收敛
当出现上图的情况时，SW2上的BP端口就还需要经过一个BPDU老化时间20s，从Blocking（阻塞）状态变为Forwording（状态）就需要经过50s的时间。
问题三：交换机连接用户终端的场景
如图所示，在STP中，交换机连接PC端的链路进入转发状态也需要等待30s，事实上，交换机连接终端的这段链路是不会出现环路的，因此这段等待时间其实并不需要。
问题四：STP的拓扑变更机制
拓扑变更的处理过程：
- 在网络拓扑发生变化后，下游设备会不间断地向上游设备发送TCN BPDU报文。
- 上游设备收到下游设备发来的TCN BPDU报文后，只有指定端口处理TCN BPDU报文。其它端口也有可能收到TCN BPDU报文，但不会处理。
- 上游设备会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给下游设备，告知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
- 上游设备复制一份TCN BPDU报文，向根桥方向发送。
- 重复上述步骤，直到根桥收到TCN BPDU报文。
- 根桥把配置BPDU报文中的Flags的TC位置1后发送，通知下游设备直接删除桥MAC地址表项。
STP的端口状态
| STP端口状态 | 行为 |
|---|---|
| Disabled | 不转发用户流量也不学习MAC地址 |
| Blocking | 不转发用户流量也不学习MAC地址 |
| Listening | 不转发用户流量也不学习MAC地址 |
| Learning | 不转发用户流量但学习MAC地址 |
| Forwording | 既转发用户流量又学习MAC地址 |
可以看出，上面三种状态从用户使用的角度来看都相同，却对应着不同的状态，反而增加了使用的难度。
二、RSTP对STP的改进
端口角色的重新划分
RSTP定义了两种全新的端口角色：Backup Port（备份端口）和Alternate Port（预备端口）。
- Backup Port（备份端口）：Backup Port就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口，为指定端口的备份，提供了另外一条从根节点到叶节点的备份通路。
- Alternate Port（预备端口）：Alternate Port就是由于学习到其它网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口，提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口。
端口状态的重新划分
RSTP将原来的5中状态变为3种
| STP端口状态 | RSTP端口状态 | 端口状态对应的行为 |
|---|---|---|
| Disabled | Discarding | 如果不转发用户流量也不学习MAC地址 |
| Blocking | ||
| Listening | ||
| Learning | Learning | 不转发用户流量但学习MAC地址 |
| Forwording | Forwording | 既转发用户流量也学习MAC地址 |
快速收敛机制
P/A机制
Proposal/Agreement机制，其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。
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，指定端口的选择就需要等待两个Forward Delay，协商过程与STP一样。
事实上对于STP，指定端口的选择可以很快完成，主要的速度瓶颈在于：为了避免环路，必须等待足够长的时间，使全网的端口状态全部确定，也就是说必须要等待至少两个Forward Delay，所有端口才能进行转发。
特点：使用来回确认机制和同步变量机制，就无需依靠计时器来保证无环。
P/A协商的过程：
- SWA向SWB发送p置位的BPDU包。
- 同步变量（阻塞除边缘端口以外的其他端口，防止出现环路）。
- SWB向SWA发送A置位的BPDU包。
- SWA收到A置位的BPDU包后，端口立即进入Forwarding状态。
P/A机制的具体做法
阶段一：设备刚刚启动，RSTP协议刚刚启用，所有交换机都认为自己是根桥，向其他交换机发送P置位的BPDU，并把发送P消息的端口变成DP口，同时接口处在Discarding状态。
阶段二：交换机SWA收到SWB和SWC的P消息会置之不理，因为他的桥优先级最高。交换机SWB和SWC收到SWA的P消息后，由于认同SWA是最优的根桥，会根据P/A协商流程回复A消息，并把发送端口变成RP端口，同时接口处在Forwarding状态。
阶段三：SWA与SWB，SWA与SWB的P/A协商已经完成，接下来是SWB和SWC的P/A协商。
SWB和SWC的协商过程如下：
- SWB和SWC都会发送根桥为SWA的P消息给对方。
- 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)，所有马上停止发送P消息，但是由于已经有端口是RP口，也不会回A消息。
- 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)，会不停的发送P消息。
- 以上状态在等待2个Forward Delay时间后，SWB端口为DP端口，处在
Forwarding状态， SWC端口为AP端口，处在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。
根端口快速切换机制
针对于前面提到的STP的问题二，在RSTP中，当SWA与SWC之间的直连链路down后，SWC上的AP端口会迅速切换成RP端口并进入转发状态。
若SWA与SWB之间的直连链路down掉，SWC上的AP端口会快速切换成DP端口并进入转发状态。
边缘端口的引入
在RSTP中，交换机连接终端的链路可以立即进入转发状态。当交换机上的改接口接收到BPDU后，就会失去边缘端口的属性，成为普通的STP口，并重新参与生成树的计算。
拓扑变更机制的优化
判断拓扑变化的唯一标准：一个非边缘端口迁移到Forwording状态。
一旦检测到拓扑发生变化，将进行如下处理：
- 为本交换设备的所有非边缘指定端口启动一个TC While Timer，该计时器值是HelloTime的两倍。在这个时间内，清空状态发生变化的端口上学习到的MAC地址。同时，由这些端口向外发送RST BPDU，其中TC置位。一旦TC While Timer超时，则停止发送RST BPDU。
- 其他交换设备接收到RST BPDU后，清空所有端口学习到MAC地址，除了收到RSTBPDU的端口。然后也为自己所有的非边缘指定端口和根端口启动TC While Timer，重复上述过程。 如此，网络中就会产生RST BPDU的泛洪。
保护机制–BPDU保护
应用场景： 防止有人伪造RST BPDU恶意攻击交换设备，当边缘端口接收到该报文时，会自动设置为非边缘端口，并重新进行生成树计算，引起网络震荡。
实现原理： 配置BPDU保护功能后，如果边缘端口收到BPDU报文，边缘端口将会被立即关闭。
保护机制–根保护
应用场景： 由于维护人员的错误配置或网络中的恶意攻击，网络中合法根桥有可能会收到优先级更高的RST BPDU，使得合法根桥失去根地位，从而引起网络拓扑结构的错误变动。
实现原理： 一旦启用Root保护功能的指定端口收到优先级更高的RST BPDU时，端口状态将进入Discarding状态，不再转发报文。在经过一段时间，如果端口一直没有再收到优先级较高的RST BPDU，端口会自动恢复到正常的Forwarding状态。（Root保护功能只能在指定端口上配置生效。）
保护机制–TC BPDU泛洪保护
交换机在接收到TC-BPDU报文后，会执行MAC地址表项的删除操作。如果有人伪造TC-BPDU报文恶意攻击交换机时，交换机短时间内会收到很多TC-BPDU报文，频繁的删除操作会给设备造成很大的负担，给网络的稳定带来很大隐患。
启用防TC-BPDU报文攻击功能后，在单位时间内，RSTP进程处理TC类型BPDU报文的次数可配置（缺省的单位时间是2秒，缺省的处理次数是3次）。如果在单位时间内，RSTP进程在收到TC类型BPDU报文数量大于配置的阈值，那么RSTP进程只会处理阈值指定的次数；对于其他超出阈值的TC类型BPDU报文，定时器到期后，RSTP进程只对其统一处理一次。这样可以避免频繁的删除MAC地址表项，从而达到保护交换机的目的。
RSTP配置实例
实验拓扑图如下所示：
在SWA上的配置
[SWA]stp enable #全局开启stp
[SWA]stp mode rstp #设置stp模式为rstp
[SWA]stp root primary #将SWA设为根桥
在SWB上的配置
[SWB]stp enable
[SWB]stp mode rstp
[SWB]stp bpdu-protection #开启BPDU保护，配合边缘端口使用
[SWB]interface GigabitEthernet 0/0/4
[SWB-GigabitEthernet0/0/4]stp edged-port enable #将连接PC的端口设置为边缘端口
SWC与SWB配置一致就不再显示了。
检验配置：
在SWA上查看生成树情况：
在SWB上查看生成树情况：
在SWC上查看生成树情况：
可以看出来，SWC上的g0/0/4端口处于DISCARDING状态，即处于堵塞状态，消除了网络中的环路。