CCNP学习之路之快速生成树RSTP

zhouu

前言

802.1D 生成树协议(STP)标准的设计初衷是，每次连接都在中断一分钟左右后恢复可视为性能良好。随着LAN环境中第3层交换的出现，桥接解决方案现在能够与路由解决方案抗衡，桥接解决方案中的开放最短路径优先(OSPF)和增强型内部网关路由协议(EIGRP)等协议能够在更短时间内提供替代路径。

Cisco 通过Uplink Fast、Backbone Fast和Port Fast等功能增强了最初的802.1D规范，旨在加速桥接网络的收敛时间。缺点是这些机制是专有的并且需要额外配置。

快速生成树协议(RSTP; IEEE 802.1w)可以视作802.1D标准的一种演变，而不仅是一种变革。802.1D中的术语基本上保持不变。而且大部分参数也没有变化，因此熟悉802.1D的用户可以轻松地快速配置新协议。在大多数情况下，RSTP 的性能比Cisco专有扩展的性能要好，而且不需要进行任何额外的配置。802.1w也能恢复到802.1D，以基于每个端口与传统网桥进行交互操作。但这恰恰抛弃了它带来的好处。

新版802.1D 标准(IEEE 802.1D-2004)整合了IEEE 802.1t-2001和IEEE 802.1w标准。

本文档提供有关RSTP给旧版802.1D标准带来的增强功能的信息。

Catalyst交换机对RSTP 的支持

下表显示了Catalyst 交换机中对RSTP 的支持，以及该支持功能所需的最低软件版本。

Catalyst平台	支持RSTP的MST	RPVST+（亦称PVRST+）
Catalyst 2900XL/3500XL	不可用	不可用
Catalyst 2940	12.1(20)EA2	12.1(20)EA2
Catalyst 2950/2955/3550	12.1(9)EA1	12.1(13)EA1
Catalyst 2970/3750	12.1(14)EA1	12.1(14)EA1
Catalyst 3560	12.1(19)EA1	12.1(19)EA1
Catalyst 3750 Metro	12.1(14)AX	12.1(14)AX
Catalyst 2948G-L3/4908G-L3	不可用	不可用
Catalyst 4000/2948G/2980G (CatOS)	7.1	7.5
Catalyst 4000/4500 (IOS)	12.1(12c)EW	12.1(19)EW
Catalyst 5000/5500	不可用	不可用
Catalyst 6000/6500	7.1	7.5
Catalyst 6000/6500 (IOS)	12.1(11b)EX、12.1(13)E 和12.2(14)SX	12.1(13)E
Catalyst 8500	不可用	不可用

新的端口状态和端口角色

802.1D在这五个不同的端口状态定义：

• 已禁用
• 侦听
• 学习
• 阻塞
• 转发
  

有关详细信息，请参阅本文档的端口状态部分中的表。

端口的状态为混合状态（无论是阻塞还是转发流量），它在活动拓扑中的作用也是如此（根端口、指定端口等等）。例如，从运行角度看，阻塞状态的端口和监听状态的端口没有任何差异。这两种状态都丢弃帧，并且不能学习MAC 地址。实际区别在于生成树分配给端口的角色。可以安全地假设：监听端口为指定端口或根端口，并且正在进入转发状态。然而，在处于转发状态后，无法根据端口状态推断端口是根端口还是指定端口。这显示了该基于状态的术语的失败之处。RSTP 将端口的角色和状态分离，从而解决了此问题。

端口状态

RSTP 中仅保留了三种端口状态，分别对应于三种可能的运行状态。802.1D中的禁用、阻塞和监听状态在802.1w中合并为唯一的丢弃状态。

STP(802.1D)端口状态	RSTP(802.1w)端口状态	端口是否包括在活动拓扑中？	端口是否可获知MAC地址？
已禁用	丢弃	否	否
阻塞	丢弃	否	否
侦听	丢弃	是	否
学习	学习	是	是
转发	转发	是	是

端口角色

现在，该角色是分配到给定端口的一个变量。根端口和指定端口的角色仍然保留，而阻塞端口的角色拆分为备份端口和替代端口角色。生成树算法(STA)根据网桥协议数据单元(BPDU)确定端口的角色。为了简化起见，关于BPDU需要记住的是，始终有一种
方法可以比较其任意两者并确定其中更加有用的一项。这是依据BPDU中存储的值，而有时依据接收它们的端口。因此，本部分中的信息阐述了确定端口角色的实用方法。

根端口角色

网桥上接收最佳BPDU的端口即是根端口。就路径成本而言，根端口是最接近根网桥的端口。STA在整个桥接网络（每个VLAN）中选择一个根网桥。根网桥发送的BPDU比任何其他网桥发送的BPDU都更有用。根网桥是该网络中唯一没有根端口的网桥。所有其他网桥在至少一个端口上接收BPDU。



指定端口角色

如果端口可以在它所连接到的网段上发送最佳BPDU，则它是指定端口。802.1D网桥将不同网段（例如以太网段）链接在一起，以创建桥接域。在给定的网段上，只能有一条路径通往根网桥。如果有两条路径，则网络中会有桥接环路。连接到给定网段的所有网桥将监听每个网桥的BPDU，并且同意将发送最佳BPDU的网桥作为网段的指定网桥。该网桥上对应的端口是该网段的指定端口。



替代端口和备份端口角色

这两个端口角色对应于802.1D的阻塞状态。阻塞的端口既不是指定端口也不是根端口。阻塞的端口收到的BPDU比其在网段上发送的BPDU更有用。请记住，端口必须接收BPDU才能保持阻塞状态。为此，RSTP引入了这两个角色。

替代端口从其他网桥接收更有用的BPDU，并且它是阻塞的端口。如下图所示：



备份端口从其所在的网桥接收更有用的BPDU，并且它是阻塞的端口。如下图所示：



802.1D内部已对此进行区分。这实质上是Cisco UplinkFast的工作原理。基本原理是替代端口提供通往根网桥的替代路径，因此可以在根端口出现故障时替换它。当然，备份端口可提供到同一网段的冗余连接，但不能保证到根网桥的替代连接。因此，上行链路组将其排除在外。

由此，RSTP针对与802.1D使用相同标准的生成树计算最终拓扑。使用不同网桥和端口的优先级方面绝对没有任何变化。“阻塞”这一名称用于描述Cisco实施中的丢弃状态。CatOS版本7.1及更高版本仍会显示监听和学习状态。这提供了有关端口的更多信息，远远超过了IEEE标准的要求。但是，新功能体现在，协议确定的端口角色与其当前状态之间存在差异。例如，现在端口可以同时是指定端口和阻塞端口。然而这种情况持续的时间一般非常短，这只是表示此端口正处于转换到指定转发状态的过渡状态。

新的BPDU格式

RSTP引入了少量对BPDU格式的更改。802.1D中仅定义了两个标志，即拓扑变化(TC)和TC确认(TCA)。但是，RSTP现在使用标志字节的剩余全部六位，以便执行以下任务：

• 对产生BPDU的端口的角色和状态进行编码
• 处理建议/协议机制
  

另一项重要更改是RSTP BPDU现在为类型2，版本2。这表示传统网桥必须丢弃此新的BPDU。此属性使802.1w网桥很容易检测与之相连的传统网桥。

新的BPDU处理

每Hello-Time发送BPDU

每Hello-Time发送BPDU，而不再只是进行中继。使用802.1D时，仅当非根网桥在根端口上收到BPDU时，才会生成BPDU。实际上，网桥会中继BPDU，而不仅是实际上生成他们。802.1w并非如此。现在，即使网桥未从根网桥收到任何BPDU，也会每<hello-time>秒（默认情况下是2秒）将BPDU与其最新信息一起发送。

信息更快过期

在给定端口上，如果连续三次没有收到Hello（或如果max_age过期），则协议信息会立即过期。由于前面所述的协议修改，BPDU现在可用作网桥之间的保持活动机制。如果网桥连续错过三个BPDU，则它会认为与其直接相邻根网桥或指定网桥断开连接。这种信息快速过期使得可以进行快速故障检测。如果网桥无法从相邻网桥接收BPDU，可以肯定与该相邻网桥的连接已断开。这与802.1D相反，在802.1D中问题可能发生在通往根网桥的路径上的任何位置。

注意：如果是物理链路故障，会更快地检测出来。

接受次要BPDU

此概念是BackboneFast引擎的核心部分。IEEE 802.1w委员会决定在RSTP中融入相似的机制。当网桥从其指定网桥或根网桥接收次要信息时，它会立即接收并替换以前存储的信息。



由于网桥C仍然识别出根网桥处于活动状态并且运行良好，因此立即发送BPDU到网桥B，该BPDU中包含有关根网桥的信息。因此，网桥B不会发送其自己的BPDU并且接受导向网桥C的端口作为新的根端口。

快速转换到转发状态

快速转换是802.1w中引入的最重要功能。传统STA在将端口变成转发状态之前，会被动地等待网络收敛。以前，实现更快收敛通过调整保守默认参数（转发延迟和max_age计时器）完成，并且经常会危及网络稳定性。新的快速STP能够主动确认端口是否可安全转换到转发状态，而不需要依靠任何计时器配置。现在，符合RSTP的网桥之间存在真正的反馈机制。为了在端口上实现快速收敛，协议依靠两个新的变量：边缘端口和链路类型。

边缘端口

Cisco生成树用户已经对边缘端口概念非常熟悉，因为它基本上与Portfast功能对应。所有直接连接到终端站的端口都不能在网络中创建桥接环路。因此，边缘端口直接转换到转发状态，并且跳过监听和学习阶段。当链路切换时，边缘端口和启用了Portfast 的端口都不会生成拓扑更改。接收BPDU的边缘端口会立即失去边缘端口状态并成为正常的生成树端口。此时，边缘端口状态有一个用户配置的值和一个运行值。Cisco实施仍保留PortFast关键字用于边缘端口配置。这使转换为RSTP变得更简单。

链路类型

只有在边缘端口和点对点链路上，RSTP才能快速转换到转发状态。链路类型会从端口的双工模式自动派生。以全双工模式运行的端口视为点对点端口，而半双工端口默认视为共享端口。可以使用明确配置覆盖此自动链路类型设置。在当今的交换网络中，大多数链路都在全双工模式下运行，RSTP将这些链路视为点对点链路。这使它们能够快速转换到转发状态。

802.1d的收敛

下图说明了802.1D处理添加到桥接网络的新链路的方式：



在此方案中，根网桥和网桥A之间添加了一个链路。假设网桥A和根网桥之间已经有一条间接连接（通过图中的C-D）。STA会阻塞端口并且禁用桥接环路。首先，当根网桥和网桥A启动时，它们之间的链路上的两个端口会处于监听状态。网桥A现在能直接监听根网桥。它会立即在指定端口上向树的分支传播其BPDU。一旦网桥B 和C从网桥A收到此新的高级信息，它们就会立即向分支中继该信息。几秒钟后，网桥D便收到来自根网桥的BPDU，并立刻阻塞端口P1。



生成树可以非常高效地计算网络的新拓扑。现在唯一的问题是，只有经过两倍的转发中继时间之后，根网桥和网桥A之间的链路才能最终进入转发状态。这意味着流量将中断30秒（网络的整个A、B和C部分被隔离），原因是8021.D算法缺乏反馈机制，无法清晰地通告网络将在几秒钟后收敛。

与802.1w的收敛

现在，您可以看到RSTP处理类似情况的方式。请记住，最终拓扑与802.1D计算的拓扑完全一样（即，与以前相同的位置上有一个阻塞的端口）。只是实现此拓扑的步骤发生了变化。

一旦网桥A和根网桥启动，它们之间的链路上的两个端口就会置于指定的阻塞状态。至此，一切情况与纯802.1D环境中完全一样。但是，在此阶段，交换机A和根网桥之间会发生协商。一旦网桥A收到根网桥的BPDU，它就会阻塞非边缘指定端口。此操作称为同步。完成此操作后，网桥A会明确授权根网桥将其端口置于转发状态。下图说明了网络上该过程的结果。交换机A和根网桥之间的链路被阻塞，两个网桥可交换BPDU。



交换机A阻塞其非边缘指定端口后，交换机A和根网桥之间的链路便进入转发状态，您将遇到以下情况：



仍然不能有环路。现在，网络不是阻塞交换机A以上的部分，而是阻塞交换机A以下的部分。但是，会在其他位置切断可能的桥接环路。这种切断与根网桥产生的新BPDU一起通过交换机A沿树向下传递。在此阶段，交换机A上新阻塞的端口还会与都启动同步操作的交换机B和交换机C上与其相邻的端口进行协商，从而快速转换到转发状态。除通向交换机A的根端口之外，交换机B只有边缘指定端口。因此，它没有要阻塞的端口来授权交换机A进入转发状态。同样地，交换机C只需阻塞其通向D的指定端口。

现在可进入下图中显示的状态：



请记住，最终拓扑与802.1D示例完全相同，这表示D上的端口P1最终会进入阻塞状态。这表示在新的BPDU沿树向下传递所需的必要时间后，将实现最终网络拓扑。在这种快速收敛中没有涉及计时器。RSTP唯一引入的新机制是确认交换机可以在其新的根端口上进行发送，以便授权立即转换到转发状态，从而绕过长达两倍转发延迟时间的监听和学习阶段。 管理员只需要记住以下几点就可以受益于快速收敛：

• 只有网桥通过点对点链路连接时（即全双工链路，如果未使用显式端口配置），网桥之间才可能进行此协商。
• 在802.1D中端口上启用Portfast后，边缘端口更加重要。例如，如果网络管理员未正确配置B上的边缘端口，则其连接会受到启动的A和根之间的链路影响。
  

建议/协议顺序
当一个端口由STA选择作为指定端口时，在将其转换到转发状态之前，802.1D还要等待<forward delay>秒的两倍时间（默认为2x15）。在RSTP中，此情况与具有指定角色但处于阻塞状态的端口相对应。下图说明了如何逐步实现快速转换。假设在根网桥和交换机A之间创建了一条新链路。此链路上的两个端口都置于指定的阻塞状态，直到它们从对等的端口收到BPDU为止。



当指定端口处于丢弃或学习状态时（并且只有在这种情况下），它才会在其发送的BPDU中设置建议位。这是根网桥的端口p0所发生的情况，如上图的步骤1所示。由于交换机A收到高级信息，它会立即识别出p1是新的根端口。然后，交换机A开始同步，以确保其所有端口均与此新信息同步。如果端口满足以下标准之一，则端口是同步的：

• 端口处于阻塞状态，意味着稳定拓扑中的丢弃状态。
• 端口是边缘端口。
  

为了说明同步机制对不同种类端口的影响，假设交换机A上存在替代端口p2，指定的转发端口p3和边缘端口p4。请注意，p2和 p4已经满足其中一个标准。为了保持同步（请参阅上图的步骤2），交换机A仅需要阻塞端口p3并向其分配丢弃状态。既然其所有的端口都保持同步，交换机A就可以取消阻塞其新选择的根端口p1并发送协议信息以回复根网桥。（请参阅步骤3。）此消息是建议BPDU的副本，其中设置了协议位而非建议位。这可确保端口p0确切地知道它接收的协议与哪个建议对应。



p0收到该协议后，它可立即转换到转发状态。这是上图的步骤4。请注意，同步之后，端口p3将继续保持指定的丢弃状态。在步骤4中，该端口所处的情况与步骤1中端口p0所处的情况完全相同。然后，它会开始向其相邻端口提出建议，并且尝试快速转换到转发状态。

• 由于建议协议机制不依赖任何计时器，因此其速度非常快。这种握手式的电波会快速传播到网络边缘，并在拓扑更改后快速恢复连接。
• 如果指定的丢弃端口在发送建议之后未收到协议，它将缓慢转换到转发状态，并退回到传统的802.1D监听学习顺序。如果远程网桥不了解RSTP BPDU，或者如果远程网桥的端口处于阻塞状态，可能会发生这种情况。
• Cisco在同步机制中引入了增强功能，允许网桥在进行同步时只将其以前的根端口置于丢弃状态。有关该机制的工作原理的详细信息不属于本文档的讨论范畴。但是，可以安全地假设，该机制在大多数常见再收敛案例中调用。本文档的与802.1w的收敛部分中描述的方案非常有效，这是因为只会暂时混淆位于最终阻塞端口的路径上的端口。
  

UplinkFast

RSTP中包含的快速转换到转发状态的另一种形式类似于Cisco的UplinkFast专有生成树扩展。基本上，当网桥丢失其根端口时，它能够将其最佳替代端口直接置于转发模式（RSTP也会处理新的根端口的出现与否）。选择替代端口作为新的根端口会产生拓扑更改。802.1w拓扑更改机制会清除上游网桥的内容可寻址存储器(CAM)表中的相应条目。这就消除了对UplinkFast的虚拟多播生成进程的需要。
因为RSTP 中自带UplinkFast机制并会自动启用，因此无需对该机制进行进一步配置。

新的拓扑结构更改机制

当802.1D网桥检测到拓扑更改时，它会使用可靠的机制首先通知根网桥。如下图所示：



根网桥识别出网络拓扑更改后，它会在其发送的BPDU中设置TC标志，然后BPDU会中继到网络中的所有网桥。当网桥收到设置了TC标志位的BPDU时，它会将其桥接表老化时间降低到转发延迟秒数。这可确保相对快速地刷新过期信息。有关此过程的详细信息，请参考了解生成树协议拓扑更改。此拓扑更改机制在RSTP中进行了很深层次的再造。拓扑更改的检测及其通过网络的传播都在不断演变。

拓扑更改检测

在RSTP中，只有进入转发状态的非边缘端口会导致拓扑更改。这意味着连接断开将不再视为拓扑更改，这与802.1D正好相反（即，进入阻塞状态的端口不再生成TC）。当RSTP网桥检测到拓扑更改时，会发生以下操作：

• 如有必要，它将为其所有非边缘指定端口和根端口启动TC While计时器，计时器的值为hello-time值的两倍。
• 它将刷新与所有这些端口关联的MAC地址。
  

注意：只要TC While计时器在端口上运行，从该端口发送的BPDU就都会设置TC位。当计时器处于活动状态时，根端口上也会发送BPDU。

拓扑更改传播

当网桥从相邻网桥收到设置了TC位的BPDU时，会发生以下操作：

• 它将清除其所有端口（接收拓扑更改的端口除外）上识别的MAC地址。
• 它将启动TC While计时器，并在其所有指定端口和根端口上发送已设置TC的BPDU（RSTP不再使用特定的TCN BPDU，除非需要通知传统网桥）。
  

这样，TCN会快速传播到整个网络。现在，TC传播是只需一个步骤的进程。实际上，拓扑更改的发起方会将此信息传播到整个网络中（与802.1D相反，在其中只有根网桥才能如此）。此机制比802.1D等效机制更快。无需等待通知根网桥，然后针对整个网络保持拓扑更改状态长达<max age plus forward delay>秒钟。



仅在几秒钟或者几倍hello-time后，整个网络(VLAN)的CAM表中的大部分条目都将刷新。此方法会导致更多潜在的临时泛洪，但另一方面它清除了阻止快速恢复连接的潜在过期信息。

与802.1D的兼容性

RSTP可以与传统STP协议交互操作。但是，务必注意，与传统网桥交互时，802.1w固有的快速收敛优点将会丧失。
每个端口都维护一个变量，该变量定义可在对应网段上运行的协议。当端口启动时，值为三秒的迁移延迟计时器也将启动。当此计时器运行时，会锁定与端口关联的当前STP或RSTP模式。迁移延迟过期后，端口会适应与其接收的下一个BPDU对应的模式。如果端口由于收到的BPDU而更改其运行模式，则迁移延迟会重新启动。这会限制可能的模式更改频率。



例如，假设上图中的网桥A和B都运行RSTP，并且指定交换机A用于该网段。此链路上引入了传统STP网桥C。由于802.1D网桥会忽略RSTP BPDU并丢弃它们，因此C认为网段中没有其他网桥，并开始发送其次要802.1D格式的BPDU。交换机A将收到这些BPDU，并在最多两倍于hello-time的秒数之后，只在该端口上将其模式更改为802.1D。结果，C现在识别出交换机A的BPDU并且接受A作为该网段的指定网桥。



请注意在这个特殊情况下，如果移除网桥C，则网桥A会在该端口上以STP模式运行，即使它可以在RSTP模式下更有效地与其唯一的相邻网桥B一起工作。这是因为A无法识别出网桥C已从网段移除。对于这种特殊（少见）情况，需要用户介入，以便手动重新启动端口的协议检测。
当端口处于802.1D兼容模式时，它还可以处理拓扑更改通知(TCN) BPDU以及已设置TC或TCA位的BPDU。

结论

RSTP(IEEE 802.1w)本身包括大多数针对802.1D生成树的Cisco专有增强功能，例如BackboneFast、UplinkFast和PortFast。RSTP 可以在正确配置的网络中实现更快的收敛，有时只需几百毫秒。如果管理员正确标识和设置了点对点链路和边缘端口，则经典的802.1D 计时器（例如转发延迟和max_age）可仅用作备份，且不是必要的。此外，如果不存在与传统网桥的交互，则计时器也不是必要的。

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