STP理论04-RSTP相对STP的改进

Posted 2021-01-31

STP理论04-RSTP相对STP的改进

STP不足之处：
网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中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。

导致STP收敛慢的原因：
1）、STP没有细致区分端口状态和端口角色，不利于初学者学习及部署，listening、learning和 Blocking 状态并没有区别，都同样不转发用户流量；
2）、STP 算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢；
3）、在网络稳定时，只有根桥发送BPDU报文。

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RSTP 对 STP 的改进：

1、通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解及部署；RSTP 的端口角色共有 4 种：根端口、指定端口、 Alternate 端口和 Backup 端口；
1）、从配置 BPDU 报文发送角度来看：
a、Alternate 端口就是由于学习到其它网桥发送的配置 BPDU 报文而阻塞的端口；
b、Backup 端口就是由于学习到自己发送的配置 BPDU 报文而阻塞的端口。
2）、从用户流量角度来看：
a、Alternate 端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口；
b、Backup 端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路。

2、端口状态的重新划分：
RSTP 的状态规范把原来的 5 种状态缩减为 3 种。根据端口是否转发用户流量和学习 MAC 地址来划分：
1）、discarding：不转发流量，不学习MAC地址；
2）、learning：不转发流量，学习MAC地址；
3）、forwarding：转发流量，学习MAC地址。

3、配置 BPDU 格式的改变，充分利用了 STP 协议报文中的 Flag 字段，明确了端口角色；
1）、Type 字段，配置 BPDU 类型不再是 0 而是 2，所以运行 STP 的设备收到 RSTP 的配置BPDU 时会丢弃；
2）、Flags 字段，使用了原来保留的中间 6 位，这样改变的配置 BPDU 叫做 RST BPDU，具体RSTP Flags字段格式如下：
? Bit7：TCA
? Bit6：Agreement
? Bit5：Forwarding
? Bit4：Learning
? Bit3和Bit2：端口角色
? 00：未知
? 01：根端口
? 10：Alternate / Backup
? 11：指定端口
? Bit1：Proposal
? Bit0：TC

4、配置 BPDU 的处理发生变化；
1）、发送BPDU：配置BPDU由根桥产生并且发送，非根桥在接收到根桥的配置BPDU后，才出发发送；RSTP每个设备都会按规定时间发送配置BPDU；
2）、BPDU超时：STP要等待Max age超时，RSTP只等待3个Hello time时间；
3）、处理次优BPDU：当一个端口收到上游的指定桥发来的 RST BPDU 报文时，该端口会将自身存储的 RST BPDU 与收到的 RST BPDU 进行比较。
如果该端口存储的 RST BPDU 的优先级高于收到的 RST BPDU，那么该端口会直接丢
弃收到的 RST BPDU，立即回应自身存储的 RST BPDU。当上游设备收到下游设备回应
的 RST BPDU 后，上游设备会根据收到的 RST BPDU 报文中相应的字段立即更新自己
存储的 RST BPDU。
由此， RSTP 处理次等 BPDU 报文不再依赖于任何定时器通过超时解决拓扑收敛，从而
加快了拓扑收敛

5、快速收敛；
1）、Proposal/Agreement 机制：
在点到点以太网链路上，指定端口可以和对端通过握手协商的方式进行快速迁移。双方设备必须满足如下状态机：
a. proposing. 指定端口处于discarding或learning状态的时候，会设置该变量。向下游交换机传递Proposal flag被置位的RST BPDU。
b. proposed. 当收到指定端口发来的proposal BPDU的时候，该变量设置。该变量指示本网段上的指定端口希望尽快的进入forwarding状态。
c. sync. 当proposed被设置以后，收到proposal的根端口会依次为自己的其他端口设置sync变量。将所有不是Edge port的指定端口转为discarding状态。
d. synced. 当端口完成转到discarding后, 会设置自己的synced。Alternate、Backup 和边缘端口会马上设置该变量。根端口监视其他端口的synced，当所有其他端口的synced全被设置，根端口会设置自己的synced，然后传回RST BPDU，其中Agreement flag被设置。
e. agreed. 当指定端口接收到一个RST BPDU的时候，如果该BPDU中的agreement flag被置位且端口角色字段是“根端口”，该变量被设置。当agreed被设置的时候，指定端口马上转入forwarding状态。
1.1）、触发Proposal/Agreement 机制的条件：
a、 设备之间链路必须是点对点的全双工模式，且端口类型为指定端口；
b、 新接入的设备发送更优的RST BPDU。
1.2）、P/A机制协商过程：
a、刚开始交换机都认为自己的端口为指定端口，只不过指定端口的状态是discarding。
b、进入discarding状态后就开始发送proposal置位的RST BPDU。
c、比较自己与收到的RST BPDU，如果本端的优，就丢弃对端发送过来的RST BPDU，并且继续发送本端的RST BPDU；如果对端的优，就停止发送RST BPDU，并进入下个步骤。
d、不优的交换机将自己所有接口阻塞（又称同步）（除已经阻塞接口，边缘端口）。
e、不优的交换机向优的一方发送agreement置位的RST BPDU，并将这个端口置于forwarding状态，角色为根端口。
f、RST BPDU优的一端收到agreement置位的RST BPDU后，就将这个端口置于forwarding状态，角色为指定端口。
1.3）、Proposal/Agreement 机制的目的是使一个指定端口尽快进入 Forwarding 状态。
2）、根端口快速切换机制：如果网络中一个根端口失效，那么网络中最优的 Alternate 端口将成为根端口，进入Forwarding 状态；
3）、边缘端口的引入：边缘端口不接收处理配置 BPDU，不参与 RSTP运算，可以由 Disable直接转到 Forwarding状态，一旦边缘端口收到配置 BPDU，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。

6、保护功能；
1）、BPDU 保护：交换设备上启动了 BPDU 保护功能后，如果边缘端口收到RST BPDU，边缘端口将被error-down，但是边缘端口属性不变，同时通知网管系统。
2）、根保护：对于启用 Root 保护功能的指定端口，其端口角色只能保持为指定端口。一旦启用 Root 保护功能的指定端口收到优先级更高的 RST BPDU 时，端口状态将进入 Discarding 状态，不再转发报文。在经过一段时间（通常为两倍的 Forward Delay），如果端口一直没有再收到优先级较高的RST BPDU ，端口会自动恢复到正常的Forwarding 状态。（Root 保护功能只能在指定端口上配置生效）
3）、环路保护：在启动了环路保护 功能后，如果根端口 或Alternate 端口长时间收不到来自上游的 RST BPDU 时，则向网管发出通知信息（如果是根端口则进入 Discarding 状态）。而阻塞端口则会一直保持在阻塞状态，不转发报文，从而不会在网络中形成环路。直到根端口或 Alternate 端口收到 RST BPDU ，端口状态才恢复正常到Forwarding 状态。（环路保护功能只能在根端口或 Alternate 端口上配置生效）
4）、防TC-BPDU***：启用防 TC-BPDU 报文***功能后，在单位时间内，交换设备处理 TC BPDU 报文的次数可配置。如果在单位时间内，交换设备在收到 TC BPDU报文数量大于配置的阈值，那么设备只会处理阈值指定的次数。对于其他超出阈值的 TCN BPDU
报文，定时器到期后设备只对其统一处理一次。这样可以避免频繁的删除 MAC 地址表项和ARP 表项，从而达到保护设备的目的。