IEEE 802.1w协议

IEEE 802.1w协议

在20世纪初IEEE推出了802.1w标准。它同样是属于生成树协议类型，称之为“快速生成树协议”（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP），作为对802.1D标准的补充。那么为什么在有了IEEE 802.1d协议后，还要要制定IEEE 802.1w协议呢？原来，IEEE 802.1d协议虽然解决了链路闭合引起的死循环问题，但是生成树的收敛（指重新设定网络中的交换机端口状态）过程仍需比较长的时间（通常约为1分钟）。对于以前的网络来说，1分钟的阻断是可以接受的，毕竟人们以前对网络的依赖性不强，但是现在情况不同了，人们对网络的依赖性越来越强，1分钟的网络故障足以带来巨大的损失，因此IEEE 802.1d协议已经不能适应现代网络的需求了。于是IEEE 802.1w协议协议问世了，它使得收敛过程由原来的1分钟减少为现在的1秒至10秒，因此IEEE 802.1w又称为“快速生成树协议”（RSTP）。对于现在的网络来说，这个速度足够快了。
1．IEEE 802.1w协议原理
IEEE 802.1w RSTP的特点是将许多思科增值生成树扩展特性融入原始IEEE 802.1d中，如Portfast（不需要生成树协议的快速建立连接方式）、Uplinkfast和Backbonefast（这两种都属于生成树协议中和属性）。IEEE 802.1w协议通过利用一种主动的网桥到网桥握手机制，取代IEEE 802.1d根网桥中定义的计时器功能，提供了交换机（网桥）、交换机端口（网桥端口）或整个LAN的快速故障恢复功能。通过将生成树“hello”作为本地链接保留的标志，RSTP改变了拓扑结构的保留方式。这种做法使原始IEEE 802.1d fwd-delay和max-age计时器主要成为冗余设备，目前主要用于备份，以保持协议的正常运营。
RSTP 引入了新的BPDU处理和新的拓扑结构变更机制。每个网桥每次“hello time”都会生成BPDU，即使它不从根网桥接收时也是如此。BPDU起着网桥间保留信息的作用。如果一个网桥未能从相邻网桥收到BPDU，它就会认为已与该网桥失去连接，从而实现更快速的故障检测和融合。
在 RSTP 中，拓扑结构变更只在非边缘端口转入转发状态时发生。丢失连接，例如端口转入阻塞状态，不会像IEEE 802.1d一样引起拓扑结构变更。IEEE 802.1w协议的拓扑结构变更通知（TCN）功能不同于IEEE 802.1d协议，它减少了数据的溢流。在IEEE 802.1d中，TCN被单播至根网桥，然后组播至所有网桥。IEEE 802.1d TCN的接收使网桥将转发表中的所有内容快速失效，而无论网桥转发拓扑结构是否受到影响。相形之下，RSTP则通过明确地告知网桥，溢出除了经由TCN接收端口了解到的内容外的所有内容，优化了该流程。TCN行为的这一改变极大地降低了拓扑结构变更过程中，MAC地址的溢出量。
2．IEEE 802.1w标准的改进
在IEEE 802.1w标准里定义了快速生成树协议RSTP。RSTP协议在STP协议基础上做了以下两个重要改进，使得收敛速度快多了（最快1秒以内）。
 根端口和指定端口
IEEE 802.1w设置了快速切换用的替代端口（Alternate Port）和备份端口（Backup Port）两种角色，当根端口/指定端口失效的情况下，替代端口/备份端口就会无时延地进入转发状态。图6-17中所有网桥都运行RSTP协议，交换机1是根桥，左图中设定交换机3的2号端口为端口1的备份端口，备份端口1中的路径信息，这样在端口1号的路径信息丢失后，就可以由端口2中得到。替代端口的作用是用在主端口出现故障时，快速接替主端口的工作。假设交换机3的端口1是根端口，端口2将能够识别这种拓扑结构，成为根端口的替换端口，进入阻塞状态。当端口1所在链路失效的情况下，端口2就能够立即进入转发状态，无需等待两倍Forward Delay时间。

图6-17  RSTP端口作用

减少转发延时
使用了RSTP协议后，在只连接了两个交换端口的点对点链路中，指定端口只需与下游网桥进行一次握手就可以无时延地进入转发状态。如果是连接了3个以上网桥的共享链路，下游网桥是不会响应上游指定端口发出的握手请求的，只能等待两倍Forward Delay时间进入转发状态。
3．IEEE 802.1w标准的缺陷
为了支持这些改进，BPDU的格式做了一些修改，但RSTP协议仍然向下兼容STP协议，可以混合组网。虽然如此，RSTP和STP一样同属于单生成树SST（Single Spanning Tree），仍有它自身的一些缺陷，主要表现在以下3个方面。
由于整个交换网络只有一棵生成树，在网络规模比较大的时候会导致较长的收敛时间，拓扑改变的影响面也较大。
在网络结构对称的情况下，RSTP协议的单生成树也没什么大碍。但是在网络结构不对称的时候，单生成树就会影响网络的连通性。
当链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了带宽的极大浪费，这在环行城域网的情况下比较明显。