快速生成樹原理詳解

Rapid STP

RSTP/RPVST+

Edge Port是Rapid STP中的一個新的端口類型，它的作用相當於Port Fast，但如果該端口收到了BPDU，則它將直接轉換為普通端口。在Cisco設備中，邊緣端口的實現還是通過Port Fast關鍵字。

Rapid STP還添加了鏈路屬性這一概念，RSTP只能在點到點鏈路和邊緣端口啟用快速轉發（直接進入Forward模式），RSTP根據端口類型將會自動設定鏈路屬性，手工設定可以覆蓋自動配置的設定。

• Shared——半雙工模式自動配置
• Point to Point——全雙工模式自動配置

RSTP/RPVST+ Post States and Roles

快速生成樹的端口狀態只有三種：

• Forwarding
  • 發送和接受用戶數據
• Learning
  • 建立MAC地址表
• Discarding
  • 對應的是Listening、Blocking、Disabled三種狀態

​ 快速生成樹新增了兩種端口角色：

• Alternate
  • 它提供了到達根交換機的備用路徑，默認情況為Blocking（Discarding）。
• Backup
  • 它提供了到達同一網段的備用路徑，默認情況為Blocking（Discarding）。

BPDU in RSTP

在802.1D中，只有根交換機才能發送BPDU，通過其余的交換機向下中繼，由於這樣的形式，這就導致802.1D的收斂必須等待網絡平穩后才能進行。
RSTP使用802.1D的BPDU格式來實現向后兼容，但是在消息類型（Message Type）字段中使用了一些未使用的位。BPDU中的Version字段也被設置為2，來區分802.1D BPDU和RSTP BPDU。RSTP使用交互式的過程，以便交換機協商狀態的變化。

無論交換機有沒有收到來自根交換機的BPDU，BPDU都會根據Hello Time的間隔（默認2秒鍾）從所有端口發送BPDU。如果連續丟失3個BPDU時（6秒沒有收到BPDU），則交換機就能夠檢測到鄰居故障，相較於802.1D速度更快。

RSTP/RPVST+ Fast Converge

傳統的802.1D收斂速度慢主要是因為Timer多，時間長，才能安全地允許交換機端口轉發數據。
當交換機參與樹形拓撲時，RSTP使用不同的策略。當交換機首次加入拓撲或在現有拓撲中檢測到故障時，RSTP要求它根據端口類型做出轉發決策。
當交換機需要做出STP決策時，會與最近的鄰居進行握手，如果握手成功，則將不斷地向后進行握手直至抵達網絡邊緣。在握手過程中，交換機必須保障握手之前，不會引入循環。這通過同步過程來完成。

RSTP/RPVST+ Synchronization Process

非邊緣端口從Discarding狀態開始。在交換機交換BPDU之后，就能夠選舉出根橋。
​如果一個端口收到了更好的BPDU，則該端口成為根端口。對於每一個非邊緣端口，交換機都會交換一個提議，即通過握手的方式來決定鏈路的每一端的狀態。
​每台交換機都假定自己的端口都應成為指定端口，並向鄰居發送建議消息（Configuration BPDU）來建議這一事件。

• 如下圖，假設根交換機與交換機A新建立了連接，此時兩個交換機的端口都處於阻塞狀態（Discarding），直到它們收到對方的BPDU。

  • 當一個指定端口在Discarding或Learning狀態時，它發出的BPDU中的Proposal位將會被置為1。

• 交換機A收到了更優的BPDU后會將P1調整為根端口。

• 交換機A開始同步，以確保交換機上的端口與最新收到的消息一致，如果滿足以下條件其一，則端口處於同步狀態：

  • 端口處於阻塞狀態，也就是在拓撲中為Discarding狀態。
  • 端口為邊緣端口。

• 在下圖中，P2與P4已經滿足條件，交換機A只需要將P3的狀態改為Blocking，並將其分配為Discarding角色。

• 那么現在交換機A的所有端口已處於同步狀態，交換機A可以解除P1端口的Blocking狀態，發送一條同意消息來回復根交換機。

  • 這個消息是Proposal BPDU的副本，但修改了BPDU中Proposal Bit = 0 Agreement Bit = 1，這樣能夠讓根交換機區分出它收到的Agreement對應於哪個Proposal。

• 一旦P0端口收到該消息，它就立刻將端口狀態轉換為轉發狀態。

• 此時P3仍處於Discarding狀態，然后繼續向外轉發BPDU，向鄰居開始建立握手（同步過程），並嘗試快速切換到轉發狀態。

以上的這種機制是非常快的，因為它並不依賴任何計時器，這種握手方式以波的形式迅速地向網絡邊緣進行傳播，並且能在拓撲發生變化時迅速恢復連通性。同時也能夠兼容802.1D協議。
如果發送提議后沒有收到回應，它會慢慢進入轉發模式，並退回802.1D的生成樹模式。如果對端交換機不使用RSTP，或者對端交換機端口處於Blocking狀態，就可能發生以上的狀況。

RSTP/RPVST+ New Topology Change Mechanisms

​ 在RSTP中，只有端口轉移到Forwarding狀態的非邊緣端口才會引起拓撲的變化。這與802.1D的生成樹正好相反，端口進入到Blocking狀態將不再被視為拓撲變化。當運行RSTP的交換機檢測到拓撲更改時，會發生以下情況。

• 如有必要，它將啟動TC While計時器，計時器的值約等於所有非邊緣端口和到根端口的Hello Time的兩倍。
  • 只要該計時器在端口上運行，該端口發出的BPDU就會將TC bit置為1，在計數器為活動狀態的時候，根端口也會發出BPDU。
• 收到該BPDU的交換機，會刷新所有和這些端口關聯的MAC地址。

RSTP/RPVST+ Topology Change Propagation

​ 當交換機從鄰居收到了TC bit置為1的BPDU時，會發生以下的情況。

• 它清除在其所有端口學習到的MAC地址，接受拓撲更改的端口除外。
• 它啟動了TC While計時器，並在所有指定端口和根端口發送了TC bit 置為1的BPDU。（RSTP不再使用特定的TCN BPDU，除非需要通知802.1D的交換機。）

這樣，TCN消息會很快充斥在整個網絡中，而且只用到了一步過程。實際上，拓撲更改的發起者會在整個網絡中傳播此消息，而802.1D只有根交換機才會這樣做。這種機制相較於802.1D快很多，無需根交換機，就可以將網絡的拓撲更改狀態保持在Max Age + Forward Delay秒。