7.12--RSTP原理与配置——总结
一、RSTP——快速生成树协议原理
1、IEEE于2001年发布的802.1w标准定义了快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning-Tree Protocol），RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。
2、STP的缺点：（1）收敛速度较慢；（2）如果STP网络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。
3、RSTP的端口角色：指定端口、根端口、阻塞端口、备份端口（Backup）、预备端口（Alternate）；
Backup-备份端口：Backup端口作为指定端口（D端口）的备份，提供了另外一条从根桥到非根桥的备份链路。当一个交换机和一个共享媒介设备例如Hub建立两个或者多个连接时，可以使用Backup端口。同样，当交换机上两个或者多个端口和同一个LAN网段连接时，也可以使用Backup端口。
Alternate-预备端口：Alternate端口作为根端口（R端口）的备份端口，提供了从指定桥到根桥的另一条备份路径。
边缘端口（EP端口）：RSTP里，位于网络边缘的指定端口；边缘端口一般与用户终端设备直接连接，不与任何交换设备连接。 边缘端口不接收配置BPDU报文，不参与RSTP运算，可以由Disabled状态直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用了一样。但是，一旦边缘端口收到配置BPDU报文，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，从而引起网络震荡。
4、STP & RSTP的端口状态比较：
Discarding状态（可理解为阻塞状态）——端口既不转发用户流量也不学习MAC地址。
Learning状态——端口不转发用户流量但是学习MAC地址。
Forwarding状态——端口既转发用户流量又学习MAC地址。
5、RST BPDU报文：
（1）STP的BPDU报文的Flags字段中只定义了拓扑变化TC（Topology Change）标志和拓扑变化确认TCA（Topology Change Acknowledgment）标志，其他字段保留。
（2）在RST BPDU报文的Flags字段里，还使用了其他字段。包括P/A进程字段和定义端口角色以及端口状态的字段。Forwarding，Learning与Port Role表示发出BPDU的端口的状态和角色。
STP——当网络拓扑稳定后，根桥按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU报文，其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU报文后，才会触发发出配置BPDU报文，此方式使得STP协议计算复杂且缓慢。
RSTP——在拓扑稳定后，无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文，非根桥设备都会仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU，该行为完全由每台设备自主进行。
6、RSTP的收敛过程：
（1）RSTP收敛遵循STP基本原理。网络初始化时，网络中所有的RSTP交换机都认为自己是“根桥”，并设置每个端口为指定端口。此时，端口为Discarding状态。
（2）每个认为自己是“根桥”的交换机生成一个RST BPDU报文来协商指定网段的端口状态，此RST BPDU报文的Flags字段里面的Proposal位需要置位。
当一个端口收到RST BPDU报文时，此端口会比较收到的RST BPDU报文和本地的RST BPDU报文。如果本地的RST BPDU报文优于接收的RST BPDU报文，则端口会丢弃接收的RST BPDU报文，并发送Proposal置位的本地RST BPDU报文来回复对端设备。若收到的BPDU报文次于自己的RST BPDU，则选择忽略。
（3）交换机使用同步机制来实现端口角色协商管理。当收到Proposal置位并且优先级高的BPDU报文时，接收交换机必须设置所有下游指定端口为Discarding状态（防止临时环路）。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口，则端口状态保持不变。
（4）当确认下游指定端口迁移到Discarding状态后，设备发送RST BPDU报文回复上游交换机发送的Proposal消息。在此过程中，端口已经确认为根端口，因此RST BPDU报文Flags字段里面设置了Agreement标记位和根端口角色。
（5）上游交换机收到Agreement置位的RST BPDU报文后，指定端口立即从Discarding状态迁移为Forwarding状态。然后，下游网段开始使用同样的P/A进程协商端口角色。
（6）B和C交换机之间的收敛通STP的收敛过程一样，根据选举规则选出指定端口和阻塞端口。
7、链路故障/根桥失效：
STP中——当出现链路故障或根桥失效导致交换机收不到BPDU时，交换机需要等待Max Age（20s）时间后才能确认出现了故障。 然后重新进行收敛（30s），总共耗时50s。
RSTP中——如果交换机的端口在连续3次Hello Timer（6s+）规定的时间间隔内没有收到上游交换机发送的RST BPDU，便会确认本端口和对端端口的通信失败，从而需要重新进行RSTP的计算来确定交换机及端口角色。
8、RSTP拓扑变化处理：
故障情况分析：SWC发生链路故障。SWA和SWC立即检测到链路故障并清除连接此链路的端口上的MAC地址表项。接下来SWC选举出新的根端口并立即进入Forwarding状态，因此触发SWC向外发送TC置位的BPDU报文（以下简称TC报文）。
STP——故障点向外泛洪TCN BPDU，B交换机收到后向C回复一个TCA BPDU，确认已经收到拓扑改变通知的报文，接着B交换机会向根桥发送TCN BPDU，根桥在向下游设备泛洪发送TC BPDU，通知清空MAC地址表。
RSTP——直接向上游交换机发送TC BPDU，通知上游交换机清除所有其他端口上的MAC地址表项，除了接收到TC报文的端口。TC报文周期性地转发给邻居，在此周期内，所有相关接口上MAC地址表项将会被清除，重新学习MAC地址表项。
（其他交换机接收到TC置位的BPDU后，清空所有其他端口学习到的MAC地址，收到TC BPDU的端口不清空、边缘端口也不清空。）
9、STP兼容：
（1）RSTP是可以与STP实现后向兼容的，但在实际中，并不推荐这样的做法，原因是RSTP会失去其快速收敛的优势，而STP慢速收敛的缺点会暴露出来。
（2）当同一个网段里既有运行STP的交换机又有运行RSTP的交换机时，STP交换机会忽略接收到的RST BPDU，而RSTP交换机在某端口上接收到STP BPDU时，会等待两个Hello Time时间之后，把自己的端口转换到STP工作模式，此后便发送STP BPDU，这样就实现了兼容性操作。
（3）运行RSTP的交换设备在某端口上接收到运行STP的交换设备发出的配置BPDU，会把该端口转换到STP工作模式。
10、RSTP的相关配置命令总结：
*** stp mode rstp 命令——配置交换机工作在RSTP模式。在系统视图下执行，此命令必须在所有参与快速生成树拓扑计算的交换机上配置。
*** display stp 命令——可以显示RSTP配置信息和参数。根据显示信息可以确认交换机是否工作在RSTP模式。
*** display stp interface 命令——可以显示端口的RSTP配置情况。包括端口状态，端口优先级，端口开销，端口角色，是否为边缘端口等等。
边缘端口的配置命令：
（1）边缘端口完全不参与STP或RSTP计算。边缘端口的状态要么是Disabled，要么是Forwarding；终端上电工作后，它就直接由Disabled状态转到Forwarding状态，终端下电后，它就直接由Forwarding状态转到Disabled状态。
（2）交换机所有端口默认为非边缘端口。
*** stp edged-port enable 命令——用来配置交换机的端口为边缘端口，它是一个针对某一具体端口的命令。
*** stp edged-port default 命令——用来配置交换机的所有端口为边缘端口。
*** stp edged-port disable 命令——用来将边缘端口的属性去掉，使之成为非边缘端口。它也是一个针对某一具体端口的命令。 （3）Sx7系列交换机默认所有端口都工作在非边缘端口；华为Sx7系列交换机运行STP时也可以使用边缘端口设置。
根保护配置：
会出现的问题：由于错误配置根交换机或网络中的恶意攻击，根交换机有可能会收到优先级更高的BPDU报文，使得根交换机变成非根交换机，从而引起网络拓扑结构的变动。这种不合法的拓扑变化，可能会导致原来应该通过高速链路的流量被牵引到低
根保护功能——通过维持指定端口角色从而保护根交换机。一旦启用了根保护功能的指定端口收到了优先级更高的BPDU报文时，端口会停止转发报文并且进入Discarding状态（阻塞状态）。经过一段时间后，如果端口一直没有再收到优先级较高的BPDU报文，端口就会自动恢复到原来的状态。
根保护功能仅在指定端口生效，不能配置在边缘端口或者使能了环路保护功能的端口上。
*** stp root-protection 接口视图下，配置；
BPDU保护配置：
问题现象：正常情况下，边缘端口是不会收到BPDU的。但是，如果有人发送BPDU来进行恶意攻击时，边缘端口就会收到这些BPDU，并自动变为非边缘端口，且开始参与网络拓扑计算，从而会增加整个网络的计算工作量，并可能引起网络震荡。
使能BPDU保护功能后的交换机的边缘端口在收到BPDU报文时，会立即关闭该端口，并通知网络管理系统。被关闭的边缘端口可配置成自动恢复或管理员手动恢复。
使能BPDU保护功能，可在系统视图下执行 stp bpdu-protection 命令。
环路保护配置：
问题现象：交换机通过从上游交换机持续收到BPDU报文来维护根端口和阻塞端口的状态。当由于链路拥塞或者单向链路故障时，交换机不能收到上游交换机发送的BPDU报文，交换机重新选择根端口。最初的根端口会变成指定端口，阻塞端口进入Forwarding状态，这就有可能导致网络环路。
环路保护功能使能后，如果根端口不能收到上游交换机发送的BPDU报文，则向网管发出通知信息。根端口会被阻塞，阻塞端口仍然将保持阻塞状态，这样就避免了可能发生的网络环路。
使能环路保护功能，可在接口视图下执行 stp loop-protection命令。
二、STP & RSTP的不同比较：
1、端口角色的不同：
STP：根端口（R端口）、指定端口（D端口）、阻塞端口（A端口）；
RSTP：根端口、指定端口、阻塞端口、备用端口（Backup端口）、：作为指定端口的备份，用来提供另外一条从根桥到非根桥的备份链路；预备端口（Alternate端口）：作为根端口的备份端口，以提供从指定桥到根桥的另一条链路备份；边缘端口（EP端口）：是指一般情况下雨用户等终端设备直接连接，不与其他交换机设备连接的端口，
（1）当一个交换机和一个共享媒介设备例如Hub建立两个或者多个连接时，可以使用Backup端口。同样，当交换机上两个或者多个端口和同一个LAN网段连接时，也可以使用Backup端口。
（2）运行RSTP的交换机使用了两个不同的端口角色来实现冗余备份的。
2、STP与RSTP的对比：
端口状态
stp：disable blocking listening learning forwarding
rstp：discarding learning forwarding
Flags位
stp：最高位TCA 最低位TC
rstp：8bit都得到使用 proposal agreement
配置BPDU报文的发送
stp：网络收敛前 ：所有的交换机都会发送BPDU报文
网络收敛后 ：只有根桥会以2s为周期进行发送
rstp：网络收敛前 ：所有的设备都发送BPDU报文（用于选举）
网络收敛后 ：所有的设备都发送BPDU报文（时间周期为2s）
收敛机制
STP：从初始化到完成收敛至少需要30s
stp采用被动的等待计时器超时（20s）的方法来防止环路
rstp：P/A机制
通过proposal--同步--agreement机制可以实现快速收敛（秒级）
拓扑变化
stp：
1.根桥故障 20s（老化）+30s（重新收敛）
2.交换机有BP（阻塞）端口，RP端口故障的场景 30s
解析：SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口；则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态，经过两倍的Forward Delay（2x15s）后恢复到转发状态。
3.交换机没有BP端口，RP端口故障的场景 20s（老化）+30s（重新收敛）
SWB与SWA之间的链路发生了某种故障（非物理层故障，例如：堵塞），SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。等待Max Age定时器超时后，SWB会认为根桥SWA不再有效，并认为自己是根桥，于是开始发送自己的BPDU报文给SWC，通知SWC自己作为新的根桥。在此期间，由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。所以，Max Age定时器超时后，SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后，SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。
rstp
1.根桥故障或链路故障 3*hello time 6s+
2.交换机有BP（阻塞）端口，RP端口故障的场景 ——秒级
3.交换机没有BP端口，RP端口故障的场景 ——秒级
拓扑改变会导致mac表的错误
stp：
变更点泛洪TCN--上游设备相应TCA；往根桥的方向发送TCN---根桥收到TCN，
泛洪TC ，通知下游交换机15s清空mac地址表
机制复杂 效率低下
rstp：
变更点向外泛洪TC报文 通知其他交换机清空mac地址表
3、rstp的优化
1.根保护
配置在指定接口下 保护根桥不会错误的变动
2.BPDU保护
配置在交换上 保护的边缘端口
3.环路保护
配置在根端口 ，保护网络不会因为堵塞或单向链路故障等原因出现环路