快速生成树协议（RSTP）的工作原理与配置（学习笔记）

Posted 2022-02-26 人间忽晚，山河以秋

STP虽然能够解决环路问题，但是收敛速度慢，当网络拓扑发生变化时，STP重新收敛需要较长的时间。
RSTP的标准为IEEE 802.1W，它改进了STP，缩短了网络的收敛时间。RSTP的收敛速度最快可以缩短到1s之内，在拓扑发生变化时能够快速恢复网络的连通性。RSTP的算法和STP的基本一致。

一、RSTP的端口角色

• RSTP有4种端口角色：根端口、指定端口、替代端口、备份端口，增加了替代端口和备份端口
  （1）替代端口
  　　替代端口可以简单地理解为根端口的备份，它是非根桥收到了其他设备发送的BPDU后被阻塞的端口。如果设备的根端口发生故障，替代端口可以成为新的根端口，加快了网络的收敛过程。
  （2）备份端口
  　　备份端口是指交换机由于收到了自己发送的BPDU从而被阻塞的端口。如果一台交换机有多个端口接入同一个网段，并且这些端口中有一个被选举为该网段的指定端口，那么这些端口中的其他端口都将被选举为备份端口。

二、RSTP的端口状态

RSTP简化了端口状态，将STP的禁用、阻塞以及侦听状态简化为丢弃（Discarding）状态。
　　
　　也就是RSTP的端口状态为丢弃状态、学习状态、转发状态。

• 丢弃状态：端口不转发用户流量也不学习MAC地址
• 学习状态：端口不妆发用户流量但是学习MAC地址
• 转发状态：端口即妆发用户流量有学习MAC地址

三、RSTP的BPDU报文

• RSTP的BPDU被称为RST BPDU
  RST BPDU的“协议版本ID”字段值为0x02,“BPDU类型”字段值也为0x02
  在“标志”字段中，该字段一共8位，STP只使用了其中的最低位和最高位，而RSTP在STP的基础上使用了剩余的6位，并分别对这些比特位进行了定义，如图：
  
  同意（Agreement）和提议（Proposal）位用于RSTP的P/A（Proposal/Agreement）机制，该机制大大提升了RSTP的收敛速度。
  端口角色（Port Role）的长度为2位，它用于标识该RST BPDU发送端口的端口角色，01表示根端口，10表示替代端口，11表示指定端口，00被保留使用，即备份端口（以上值都是二进制格式）
• RSTP与STP不同，在网络稳定后，无论是根桥还是非根桥，都将周期性地发送配置BPDU，也就是说，对于非根桥而言，它们不用在桥端口上收到BPDU之后，再被触发而产生自己的配置BPDU，而是自发地，周期性地发送BPDU。
• 在RSTP中，无论端口的角色如何，只要端口收到次优BPDU，便会立即发送自己的BPDU这个变化使RSTP的收敛速度更快。

四、边缘端口

• 在RSTP中，可以将交换机连接PC的端口配置为边缘端口。
• 边缘端口默认不参与生成树计算，当边缘端口被激活之后，它会立即切换到转发状态并开始收发业务流量，而不哟领经历转发延迟时间，因此工作效率大大提高了
• 边缘端口的关闭或者激活并不会触发RSTP拓扑变更

五、P/A机制

P/A机制是交换机之间的握手机制。RSTP通过P/A机制来保证一个指定端口能够从丢弃状态快速进入转发状态，从而加快生成树的收敛。

六、RSTP的保护功能

1、BPDU保护

• 当交换机激活该功能后，如果边缘端口收到BPDU，则交换机会立即把端口关闭（即置为Error-Down），同时触发告警。
  在交换机上连接终端的边缘端口激活BPDU保护功能
  
  【stp edged-port enable】配置端口为边缘端口
  【stp bpdu-protection】激活边缘端口的BPDU保护功能
• 如果受保护的边缘端口由于收到了BPDU而被关闭，则默认是不会自动恢复，网络管理员可以在该端口的配置视图中先后执行【shutdown】及【undo shutdown】，或者【restart】命令恢复端口。也可自动恢复，在系统视图中执行【error down auto-recovery cause bpdu-protection interval interval-value】配置端口的自动恢复功能。执行上述命令，端口在被关闭后，将在延迟interval关键字所指定的时间（30~86400s）后自动恢复。

2、根保护

• 一般来说，RSTP会选择网络中性能最优、位置最关键的设备作为根桥，将其优先级设置为最小值0，然而，这个措施未必能绝对保证该设备永远是网络中的根桥，因为根桥的角色是可以抢占的。
• 在桥交换机上的指定端口激活根保护（Root Protection）功能，如果该端口收到更优的BPDU，则会忽略这个BPDU，并将端口切换到丢弃状态，这样，根桥的地址得以保持。
• 根保护功能的配置如下
  

配置之前查看RSTP状态

配置之后查看RSTP状态

3、环路保护

• 在网络正常时，这些端口将持续收到BPDU，而当网络中出现链路单向故障或者网络拥塞等问题时，这些端口将无法正常地接收BPDU，这个导致交换机RSTP重计算，此时端口的角色及状态便会发生改变，这就有可能在网络哦中引入环路。
• 使用环路保护（Loop Protection）可以避免以上问题
  （1）在根端口上激活环路保护功能。如果该端口长时间没有收到BPDU，那么交换机将重新选举根端口，并将该端口的角色调整为指定端口，此时，交换机将该端口的状态切换到丢弃状态，从而避免环路的发生。
  （2）在替代端口上激活环路保护功能后，如果该端口长时间没有收到BPDU，那么交换机会将该端口的角色调整为指定端口，但是将其状态保持在丢弃状态，从而避免环路的出现。
• 配置端口激活环路保护功能
  

七、RSTP的基本配置与验证

拓扑图

• 要求完成基本的RSTP配置，使SW1为根桥，SW2为次根桥，SW4的GE0/0/2端口阻塞
  SW1的配置
  
  SW2的配置
  
  SW3的配置
  
  SW4的配置
  
  修改cost值使路径开销值最大，就会被阻塞