浅谈RSTP的快速收敛机制

首先简单比较802.1D和802.1W在PDU上的一些结构和区别。

生成树协议一共有两种BPDU：

一、Configuration BPDU：

l 在802.1D里，配置BPDU在生成树初始化时由各Bridge自己生成，当接收到更优（superior）BPDU后，改用更优的BPDU。当STP域收敛时，全网的配置BPDU都是Root Bridge的配置BPDU。当然，每台Bridge都有可能修改BPDU的内容，例如TCA标记；

l 在802.1W里，该BPDU改为全部由Bridge自己生成，只是在Root ID里填上已知Root Bridge的Bridge ID。配置BPDU由本机产生这点很重要，这直接使得RSTP在拓扑变更时无需等待Root Bridge的配置BPDU，即可刷新MAC表。

二、TCN BPDU

l 在802.1D中，TCN BPDU由获知网络拓扑发生变化的Bridge生成，并从根端口（以下简称R-Port）往Root Bridge方向发送。接收到TCN BPDU的Bridge有两个动作：1、继续从R-Port转发，并期待从R-Port接收到TCA置位的配置BPDU；另一方面，在下一次配置BPDU发送时，向该指定端口（以下简称D-Port）发送TCA置位的配置BPDU进行确认。Bridge将一直生成并发送TCN BPDU，直到收到TCA置位的配置BPDU为止。该行为一直延伸到Root Bridge接收到TCN BPDU为止。然后Root Bridge发送新的配置BPDU，使整个STP域的Bridge老化其MAC表，准备学习新的拓扑。由于STP域内所有Bridge的收敛行为均由Root Bridge的配置BPDU驱动，可称为同步收敛；

l 在802.1W中，不存在TCN BPDU，因为RSTP域内状态的同步无需由Root Bridge发起。Topology Change（TC）的通告发生在毗邻Bridge之间，当且仅当某D-Port状态从Discarding到Forwarding时需要使用TC置位的配置BPDU。该BPDU仅从该D-Port转发出去，且一个新增的位（Proposal Bit）将被置位。这将引发一系列同步操作，也就是RSTP新增的一个协商机制：P/A机制。通过P/A机制，STP域内收敛行为发生在相邻的Bridge之间，各自完成自己的同步过程，可称为异步收敛。

STP与RSTP对端口状态的描述：

STP	Blocking	Listening	Learning	Forwarding
RSTP	Discarding	Discarding	Learning	Forwarding

 

RSTP BPDU如下：

Protocol ID

Protocol Version ID

BPDU
Type

Flags

Root ID

Root Path Cost

Bridge ID

Port ID

Message Age

Max Age

Hello Time

Forward Delay

其中Flags一项与STP比较而言变化较大：

Topology Change（TC）：1 Bit，由获知STP域拓扑发生改变的Bridge生成。在STP中，该Bridge将生成TC置位的TCN BPDU，并向Root Bridge方向泛洪。Root Bridge接收后，往其下游继续泛洪，直到STP域内所有Bridge都获知该信息。在RSTP中，BPDU仅在相邻Bridge间进行转发，因此TCN BPDU和TCA BPDU都仅在设备间生效。

Proposal：1 Bit。用于向对端协商成为转发状态。所有处于Discarding/Learning状态的端口，生成的BPDU都将Proposal比特置位。若接收到对端Agreement置位的BPDU，则立即进入Learning状态，并在随后进入Forwarding状态。

Port Role：2 Bit。用于标识发送本BPDU端口的角色。

Learning：1 Bit。处于Learning状态的端口，生成Learning比特置位的BPDU。

Forwarding：1 Bit。处于Forwarding状态的端口，生成Forwarding比特置位的BPDU。

Agreement：1 Bit。接收到Proposal比特置位的BPDU后，若Bridge的所有端口均处于Synced状态，则返回Agreement置位的BPDU。

Topology Change Acknowledgment（TCA）：1Bit，由接收到TCN BPDU的Bridge生成，作为对端Bridge的回应。

Port Role：R-Port（10），非根交换机到根交换机的最优端口；D-Port（11）：网段到根交换机的最优端口；A-Port（01）：R-Port的替换端口；Backup Port（01）：D-Port的替换端口；Unknown Port（00）：未知角色端口；Edge Port：连接终端的端口，因Edge Port不发送BPDU，因此BPDU包里没有该定义。

介绍完端口角色，接下来就是介绍RSTP如何实现快速收敛。

首先，RSTP将网络拓扑的变化定义为端口角色的变化，这个应该比较容易理解，因为网络拓扑的变化可以描述为某些网络端口在转发/阻塞态之间的转换，而RSTP将端口角色和端口状态进行了明确的定义（这是RSTP比STP优胜的地方）。

其次，RSTP端口角色的变化直接影响端口状态的变化。R-Port、D-Port、Edge Port处于Forwarding状态；Alternated Port（以下简称A-Port）和Backup Port处于Discarding状态。

一、Forwarding-〉Discarding

若某条链路失效，即链路两端的端口从转发态变为阻塞态。从生成树协议的目的来看，并不会使得网络形成环路。RSTP仅需要找到处于合适的阻塞态端口，并将其转为转发态，使拓扑重新连通起来。由于RSTP在计算时已经分配好R-Port的备份端口A-Port，因此若从转发态变为阻塞态的是R-Port，则把对应的A-Port改为转发态；同理，D-Port的则色也可置相应的Backup Port为转发来实现。而Edge Port并不影响生成树的计算，故忽略。这样，当某个（些）端口状态从转发到阻塞，对于RSTP而言，无需重新计算（是不是有点熟悉，好像哪儿见过不用计算直接使用备用路径的算法。聪明的你一定想到了：DUAL）。

二、Discarding-〉Forwarding

由于某条链路的连通有可能导致生成树域成环。在RSTP里，该行为定义为D-Port从阻塞态转化为转发态，相对的检查机制应的就是P/A机制，即从需要进入转发态的D-Port，建议对端进行同步，待收到确认后进入转发态。

对端Bridge在接收到“建议”消息后，一方面阻塞自身所有D-Port，并返回“同意”消息给“建议”消息发送方；另一方面，对自身端口进行同步。同步分两种类型：若端口为E-Port，或者原来就是非转发态，则为“已同步”；若端口原来为转发态，为重新进入转发态，将对对端进行“建议”并等待确认。

下面将结合图例，演示P/A机制的流程：

（一）B、E之间建立一条新链路，首先进行端口角色选择；

（二）B、E通过该链路交换BPDU，由于B端口发送的BPDU较优（superior），因此B端口角色为D-Port；与此同时，E从B收到的BPDU比从C收到的较优，因此E把连接B的端口转换为Root Port，同时，连接C的端口转换为A-Port。要注意的是，RSTP相对STP进行了根端口转发的改进，一旦确定了旧的R-Port非转发态，且新的R-Port已确定，则新的R-Port立即进入转发态；

（三）此刻B端口仍为Discarding状态，并期望进入Forwarding状态，因此它将从该D-Port发送“Proposal“置位的配置BPDU给E；E接收到该BPDU后，进入同步状态：即将所有转发态端口转为丢弃，并检查端口同步情况；

（四）从同步原理可知，E中只有连接D的端口为转发态，因此E继续阻塞该端口，并向B返回”同意“置位的BPDU。自此，B-E链路进入已完成同步，立即进行流量转发；而由于D连接E的端口为A-Port，不转发BPDU，因此E发出的”Proposal“置位BPDU将不会被”Agreement“置位的BPDU回应。该端口将一直保持阻塞态。