华为HCIE R&S笔记-06快速生成树RSTP

802.1W快速生成树RSTP：
Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树，STP协议虽然能够解决环路问题，但是收敛速度过慢，影响了用户通信质量。如果STP网络的拓扑结构频繁变化，网络也会频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断，快速生成树协议（rapid spanning Tree Protocol ）：802.1w由802.1d发展而成，基于P/A机制，这种协议在网络结构发生变化时，能更快的收敛网络。

1. RSTP-BPDU：
   （1） Configuration BPDU：
   与传统的BPDU configuration报文中除Flages外，其余BPDU内容相同，传统STP的BPDU中的Flage位只有TCA和TC两位，RSTP的BPDU在此基础上增加了多位。
   RSTP模式中，非根桥设备无论是否接收到根桥发送的配置BPDU，都会按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU。
   

① Protocol ID：协议ID，该值总为0
② Protocol Version ID：协议版本ID，STP的版本（802.1D为0；802.1W为2；802.1S为3）
③ BPDU Type：BPDU类型，分为两种，配置BPDU为0；TCN BPDU为80
④ FLags：分七个置位符：
TCA：Topology Change Acknowledgment，拓扑变更确认信息
Agreement：PA机制中的Agreement置位符
Forwarding：端口状态“转发”
Learning：端口状态“学习”
状态 Forwarding Learning
Discarding 0 0
Leaning 0 1
Forwarding 1 1
Port Role：端口角色，2bit，可以表示四种角色：
组合数值 含义
00 Unknown
01 Alternate Port/Backup Port
10 Root Port
11 Designated Port
Proposal：PA机制中的proposal置位符
TC：Topology Change，拓扑变更
⑤ Root ID：根桥的ID，由三部分组成：
4bit优先级值
12bit扩展系统ID（实例ID，默认为0）
8Byte系统ID（MAC地址）
⑥ RPC：Root Path Cost，开销值
⑦ Bridge ID：转发者的ID，每经过一个交换机，Bridge ID会变为此交换机的ID，由三部分
组成：
4bit优先级值
12bit扩展系统ID（实例ID，默认为0）
8Byte系统ID（MAC地址）
⑧ Port ID：端口ID，每经过一个交换机的端口，Port ID变为此端口的ID
⑨ Message Age：配置BPDU在网络中传播的生存期,默认每经过一跳，Message Age+1
⑩ Max Age: Message Age最大老化时间，默认为20S
⑪ Hello time：探测时间，默认为2S
⑫ forward Delay：转发延迟，默认为15S
（2） TC BPDU：
传统STP中，只有根桥才会发送TC置位的configuration BPDU通告下游路由器用来缩短Mac地址表的生存时间。RSTP中，不存在TCN BPDU，一旦交换机发现自己的端口和对端交换机端口链路出现问题后，会立刻向Designated Port和Root Port发送将TC置位的configuration BPDU通告其余交换机，其余交换机收到TC置位的BPDU后，会立刻删除除接收到TC BPDU的接口和边缘端口以外的端口的mac表清空，整个过程持续4S。
注：由于从某个端口收到TC置位的BPDU，说明该链路有效，所以会保留收到configuration BPDU端口对应的MAC地址映射和配置边缘的端口的MAC地址映射。
2. RSTP端口角色：
相对于传统STP三种端口角色，RSTP重新定义了五种端口角色，分别为：
① root port：根端口RP
② designate port：指定端口BP
③ alternate port：替代端口AP（或bolcking port阻塞端口）
④ backup port：备份端口BP
⑤ Edge Port：边缘端口
注：如何区分预备端口AP和备份端口BP：
每条链路上只有一个指定端口，所以在一条链路上拥有DP端口的交换机为指定交换机
如果从另外一条端口收到的BPDU中的Bridge ID是自身的Bridge ID，则表明当前的BPDU是从自身设备发出去的，则收到此BPDU的接口为DP
如果从另外一个端口收到的BPDU中的Bridge ID不是自身的Bridge ID，则为AP

（1）Root Port：
根端口，离根桥最近的非根交换机端口，每台非根交换机只有一个根端口，根交换机没有根端口。根端口接收BPDU，并转发数据帧。
每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根交换机，根桥或者跟交换机位于整个逻辑树的根部，时STP网络的逻辑中心，非根桥时根桥的下游设备，根端口时非根交换机去往根桥路径的最优端口，在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。
注：RP端口是接收到最优BPDU的端口，后续的端口选举都依照这份BPDU进行选举，如果RP端口Down掉，则所有选举出来的端口都将无效，交换机会将所有的端口变为Listening状态，重新选举根端口并生成新的BPDU进行重新的选举。

（2）Designated Port：
指定端口，用于数据和BPDU的转发，指定端口接收转发BPDU，并转发数据帧。
指点端口时交换机想所连接链路转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能由一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。
（3）Alternate Port：

预备端口，在RSTP环境中，AP作用作为同一台交换机上的RP的替代端口，当交换机发现自己的某个RP端口挂掉后，会立刻将AP端口转为RP。
（4）Backup Port：
一台交换机上存在指定端口，则为指定交换机，和指定端口存在同一链路上，则此接口为Backup Port，否则为AP

备份端口，在RSTP环境中，BP作用作为DP的替代端口（使用双线路连接HUB做冗余），当交换机发现自己的某个DP端口挂掉后，在经历3倍的Hello时间*time factor（huawei为18S）后将BP端口变为DP端口并直接进入Forwarding状态
（5）Edge Port：
边缘端口，用于连接PC的端口，边缘端口不参与STP端口的选举，直接进入Forwarding状态（传统STP也可以配置此端口，或直接在接口下使用命令STP disable关闭端口STP功能）。
配置边缘端口的好处在于端口可以直接进入Forwarding状态，并且当边缘端口Down掉，不会进行P/A机制的重新收敛，不会发送TC置位的BPDU，减轻网络的负担。
配置边缘端口后，此端口还是会继续发送BPDU给下游设备，目的为了防止环路，如果用户端存在环路，将此报文重新引回到此交换机，此时边缘端口会变为非边缘端口并进行选举。
在实际中，当企业存在大量的用户，上班时间同时开机，当交换机的一个端口由Down变为Up，会触发交换机发送TC置位的BPDU通告其他交换机刷新MAC表项，所以此时使用Edge Port可以避免这种现象。
注：Huawei设备端口使能生成树协议后，会默认启用边缘端口自动探测功能，当端口在（2 × Hello Timer + 1）秒的时间内收不到BPDU报文，自动将端口设置为边缘端口，否则设置为非边缘端口。
3. RSTP端口状态：
相对于传统的STP收敛的五种状态，RSTP简化为三种状态。
分别为：
① Discarding：丢弃状态
② Learning：学习状态
③ Forwarding：转发状态

（1）Discarding：
丢弃状态，此状态下端口对接收到的数据做丢弃处理，端口不转发数据帧，不学习MAC地址表。收敛后的AP和BP处于此状态。
（2）Learning：
学习状态，此状态下端口不转发数据帧，但是学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。
（3）Forwarding：
转发状态，此状态下端口正常转发数据帧，学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。
4. RSTP端口选举过程：

① 基于P/A机制分段式收敛，非根桥设备无论是否收到根桥发送的配置BPDU，都会按照Hello Timer（2S）规定的时间间隔发送配置BPDU
② STP中非根桥只有收到上有设备发送过来的配置BPDU，才出发发送配置BPDU
（1）RSTP协商前提：
RSTP使用P/A机制进行协商，P/A机制协商成功需要点到点链路
Huawei设备在初次发送Proposal置位的BPDU进行协商时，使用Agreement置位用来表示当前链路为P2P全双工模式，可以进行P/A机制的协商，如果交换机收到一份Proposal置位但是Agreement没有置位的BPDU，不会进行P/A机制的协商。
① 点到点全双工链路：
点到点链路为全双工链路，由于P/A协商为两端进行交互，如果中间为共享型链路模式，三台交换机进行互联，则造成P/A机制无法完全同步，导致协商失败。

① SWA、SWB、SWC中间为共享式网络
② SWA发送Proposal置位的BPDU，如果SWC回复了Agreement置位的BPDU，此时SWA会立刻经端口变为转发状态，如果此时B-D-E-A之间的链路没有收敛完成，而SWA的DP又提前进入forwarding状态会造成环路
所以为了防止在此类网络结构中P/A协商机制导致的临时环路，所以当接入Hub时，链路
出现半双工，所以此时不会进行P/A机制的协商，防止临时的环路
接口类型可以使用以下命令修改：
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]STP point-to-point force-true—强制改为P2P类型
② 都为DP、discarding状态：
当端口初始化UP的时候，端口角色为DP，并且为Discarding状态，才会发送Proposal置位的BPDU进行P/A机制的协商
（2）初次收敛：
① 初始状态：

每一台交换机启动RSTP后，都认为自己是“根桥”：
a)所有端口都为指定端口
b)处于Discarding状态，防止临时的环路
② 置位Proposal：

交换机互相发送Proposal置位的RSTP BPDU，SWA收到SWB（BID优先级低）的RSTP BPDU，会忽略，huawei设备也会将Agreement置位，用来表示当前的网络类型为P2P全双工模式。
③ 同步：

SWB收到了更优的RSTP BPDU，于是停止发送RSTP BPDU，并开始执行同步，除边缘端口外的所有下游指定端口为Discarding。
④ Agreement置位：

SWB阻塞所有非边缘端口之后，将RP端口变为Forwarding状态，将SWA（Root）的报文中的Bridge ID变为自己的Bridge ID，并将Agreement置位，发送给SWA。
注：回送的这份Agreement置位的BPDU内容为SWA发送过来的BPDU，BPDU中的Bridge ID变为SWB，Port ID变为发往SWA的接口
⑤ 根桥迁移Forwarding状态：

SWA收到Agreement置位的RSTP BPDU后，指定端口立即从Discarding迁移到Forwarding状态
⑥ P/A机制协商失败：
当进行到最后一段链路时，会将低Root ID的交换机端口置为AP端口，此时对端端口发送Proposal置位的Configuration BPDU，但是由于本端是AP端口，所以不会回复Agreement置位的Configuration BPDU，所以此时对端认为它的对端不支持RSTP，所以采用传统的STP收敛方式，经历2倍Forward Delay，进入Forwarding状态。
注：由于AP链路并不转发数据，所以即使要30S才会收敛，也不会影响实际的数据转发。
（3）拓扑变化重新收敛：
① 如果RP端口失效，AP端口立刻成为RP端口
② 如果DP端口失效，BP立刻进入BP端口
③ 如果收到一份次的BPDU，立刻进行端口的重新选举
④ 如果收不到BPDU，等待时间为Hello时间3timer Factor（因子自定义，huawei为3）=18S立刻认为为根桥，重新进行收敛
① AP交换机RP端口失效：

非根交换机的根端口down掉后，会立刻将AP端口变为RP端口进入转发状态，并发送TC置位的BPDU通告邻居进行MAC地址的删除
② DP交换机RP端口失效：

a)LSW4的g0/0/1端口失效后，LSW4立刻认为自己为Root，将所有的端口变为discarding状态，并发送proposal置位的BPDU
b)LSW5收到proposal置位的BPDU后，与自身认为最有的BPDU进行比较，发现自身的（LSW3）更优，会将端口变为DP，并变为Discarding状态，发送最有BPDU给LSW4，并将Proposal置位
c)LSW4收到Proposal置位的BPDU后，发现优于自身的BPDU，同步所有端口，并将G0/0/3变为RP端口，并发送Agreement置位的BPDU给LSW5，LSW5收到后，将G0/0/3的状态变为Forwarding状态
MAC地址表删除：
a)拓扑发生变化后，交换机会立刻从所有的指定端口发送TC置位的BPDU报文
b)当上游交换机收到TC置位的BPDU后，只保留接收到TC置位端口的mac地址映射和配置边缘端口的MAC地址映射，删除其余的MAC地址表
③ DP端口失效：
a)18S收敛：

根交换机的DP端口失效后，在经历3倍Hello时间*time factor（华为为18S）后将BP端口变为DP端口进入转发状态，并发送TC置位的BPDU通告邻居进行MAC地址的删除
b)48S收敛：

LSW2的G0/0/2链路失效后，在经历3倍Hello时间*time factor（华为为18S）后将BP端口变为DP，并且发送Proposal置位的BPDU进行P/A机制的协商，由于LSW3的G0/0/1接口为AP，不会回复BPDU，所以导致LSW2的P/A协商失败，进入传统的收敛装填，30S后进入Forwarding装填，所以为18+30=48S
④ 新根桥出现：
注1：拓扑变更的原则为：
a)原先为Forwarding状态的端口变为Forwarding状态的端口，立刻转变为Forwarding
b)原先为Discarding状态的端口变为Forwarding状态的端口，进入转发延迟或等到对端发送Alternate置位的Configuration BPDU进行确认后进入Forwarding状态
注2：AP端口变为RP或DP只有收到新的AP交换机发送的Proposal置位的BPDU后才会进入Forwarding状态
如果网络中的AP端口变为DP或AP进入forwarding状态（最终状态），如果网络中新选举出的AP并没有达到收敛，此时如果老的AP直接进入转发状态，会造成环路，所以当AP变为DP或BP时，他会停留在Discarding状态，并一直等到新的AP交换机发送的Proposal置位的BPDU后才会进入Forwarding状态

a)网络稳定的情况下，SW5的优先级更高，成为了新的根桥
b)SW5的G0/0/2由RP变为DP，依旧为Forwarding状态
c)SWD的G0/0/3由AP端口变为DP端口，从Discarding状态变为Forwarding（最终状态），为了防止临时环路，依旧停留在Discarding，并从G0/0/3端口发送Proposal置位的Configuration BPDU进行P/A协商
d)SW4收到Proposal置位的BPDU后，发现更优的Configuration BPDU，于是执行同步过程，除G0/0/3端口都变为Discarding状态，将E0/1由原来的DP变为RP，并依旧保持Forwarding状态
e)此时SW4和旧根桥SW3进行P/A机制的协商，SW4发送Proposal置位的Configuration BPDU，SWA发现SWC发送的Configuration BPDU（SWD的BPDU）优于自身，执行同步过程，发送Agreement置位的BPDU进行回复，SWC收到后，将E0/2变为Forwarding状态，并继续向上游发送Agreement置位的BPDU，此时SWD会将E0/1变为Forwarding状态