基于华三网络

• STP
• RSTP

STP

生成树协议（Spinning Tree Protocol，IEEE 802.1D）是二层网络中用于消除环路的协议。

简单实现原理：

• 通过阻断冗余链路来消除桥接网络中可能存在的路径回环
• 当前活动路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性

桥之间交换 BPDU（Bridge Protocol Data Unit，桥协议数据单元），来保证设备完成生成树的计算。

BPDU 分为两类：

• 配置 BPDU（Configuration BPDU）：进行生成树计算和维护生成树拓扑的报文
• TCN BPDU（Topology BPDU）：当拓扑结构改变时，用来通知相关设备的报文

STP 消除环路的思想：

• 选择树根节点
• 确定最短路径
• 阻塞冗余链路

桥的角色：

• 根桥：通过选举成为生成树树根的桥
• 指定桥：除根桥外的桥

端口角色：

• 根端口
• 指定端口
• Alternate 端口

路径开销：用于衡量桥之间路径的优劣，每条链路都有开销值，路径开销等于路径上全部链路的开销之和。

根路径开销：网桥到根桥的最短的路径开销

配置 BPDU：

• 网桥通过交换配置 BPDU 来获取 STP 计算所需的参数
• 配置 BPDU 基于二层组播方式发送，目的地址01-80-C2-00-00-00
• 配置 BPDU 由根桥周期（Hello Time，默认 2s）发送
• 配置 BPDU 老化时间 Max Age（默认 20s），当超时后，网桥又会发送以自身为根的配置 BPDU
• 配置 BPDU 包含以下信息：
  • 根桥 ID（Root ID）
  • 根路径开销（Root Path Cost）
  • 指定桥 ID（Designated Bridge ID）
  • 指定端口 ID（Designated Port ID）
• 配置 BPDU 的比较原则：小的优先
  • 首先比较根桥 ID
  • 再比较根路径开销
  • 再比较指定桥 ID
  • 再比较指定端口 ID
  • 最后比较桥的端口 ID

根桥选举：

1. 每台设备的各个端口在初始化时生成以自己为根桥的配置信息，向外发送自己的配置信息
2. 各网桥将各个端口收到的配置 BPDU 和自己的配置 BPDU 做比较，得出优先级最高的配置 BPDU，从而知道哪台设备为根桥。
3. 网桥保存该最优的配置 BPDU，并从指定端口发送该配置 BPDU，告诉其他设备根桥的信息
4. 网络收敛后，根桥向外发送配置 BPDU，其他设备也对该配置 BPDU 进行转发

确认端口角色：

1. 根桥上的所有端口为指定端口
2. 非根桥上到根的路径开销最小的端口为根端口
3. 每个物理段的根路径开销最小的桥为指定桥，指定桥上连着该物理段的端口为指定端口
4. 既不是指定端口，又不是根端口的端口为 Alternate 端口，进行阻塞，不转发普通的以太网数据帧

收到低优先级的配置 BPDU 时的处理：通常非根桥不会主动发送配置 BPDU，只有当网桥的指定端口收到一个低优先级的配置 BPDU 时，网桥会立即回应一个配置 BPDU，确保新加入的网桥尽快确认根桥和端口角色。

端口状态：

• Disabled：未启用 STP 的端口，不收发 BPDU，但能接收转发数据
• Blocking：Alternate 端口，接收但不发送 BPDU，不能接收转发数据
• Listening：接收并发送 BPDU，不接收或转发数据，不进行地址学习
• Learning：接收并发送 BPDU，不接收或转发数据，开始进行地址学习
• Forwarding：接收并发送 BPDU，接收或转发数据，同时进行地址学习

端口被选为指定端口或根端口后，需要从 Blocking 经过 Listening 和 Learning 才能到达 Forwarding。期间有两次 Forward Delay，每次为 15 秒。设置 Forward Delay 的作用为：使 BPDU 消息有一个充分时间再网络中传播。

拓扑改变后处理：

如图：SWD 的 0/1 端口故障导致 hostA 中断，经过 MaxAge，SWE 的 0/1 口配置 BPDU 老化，变为 Listening，经过两个 ForwardDelay，0/1 口变为 Forwarding 状态。

但此时 HostA 仍不能连通 HostB，因为 SWA/B/C 上 Mac 表未老化，HostB 给 HostA 发的包仍会被发到 SWD，被 SWD 丢弃。需要等 Mac 地址表老化（5min），才能重新学习。

为减少拓扑收敛时间，STP 使用 TCN BPDU 将最长的收敛时间缩减到 50 秒（MaxAge+2xForwardDelay）

使用 TCN BPDU 后的处理：

1. 网桥感知拓扑变化，产生 TCN BPDU 从根端口发给根桥。（TCN BPDU 的发送周期为 Hello Time，若上游超时无回复就会一直发）
2. 若上游不是根桥，则上游会将要发送的配置 BPDU 的 TCA 置位，作为收到 TCN 的确认，并发给下游。然后再发 TCN BPDU 给根桥，依次如此传递直到根桥收到。
3. 根桥收到后，将要发送的配置 BPDU 的 TCA 置位，作为收到 TCN 的确认，并将 TC 置位，用于通知全网拓扑变化。
4. 下面的网桥收到消息后，将自身的 MAC 地址老化时间从 5min 变为 ForwardDelay。

网桥发送 TCN BPDU 的条件（满足一个）：

• 有端口转变为 Forwarding，且该网桥至少包含一个指定端口
• 有端口从 Forwarding 或 Learning 转变为 Blocking

STP 的缺陷：

• 收敛时间过长，两倍的 Forwarding Delay 导致连通性至少要几十秒才能恢复
• 若网络拓扑频繁变化，网络会频繁失去连通性（例如：主机频繁上下线，会产生大量 TCN）

RSTP

RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议，IEEE 802.1W）是 STP 的优化版。
RSTP 相较 STP 的改进：

• RSTP 减少了端口的状态
• RSTP 增加了端口的角色
• RSTP 的配置 BPDU 的格式和发送方式有变化
• 拓扑改变时的处理不同，实现更快的收敛

RSTP 的端口状态：

• Discarding：对应 Disabled+Blocking+Listening，不能收发数据，不能地址学习
• Learning：不能收发数据，开始学习 MAC 地址，能收发 BPDU
• Forwarding

RSTP 端口角色变化：将 STP 的 Alternate 分为 Alternate 和 Backup

• 当阻塞端口收到更优的配置 BPDU 来自其他网桥时，该端口为 Alternate
• 当阻塞端口收到更优的配置 BPDU 来自本网桥时，该端口为 Backup

RSTP 使用 RST BPDU。与 BPDU 的区别：

• 协议版本号为0x02，标识 RSTP
• 类型变为0x02，标识 RST BPDU
• 使用了 Flags 的全 8 位
• 增加了 Version 1 Length 字段

网桥自行从指定端口发送 RST BPDU，不需要等待来自根桥的 RST BPDU。RST BPDU 的老化时间为 3xHello Time。

收到低优先级 RST BPDU 的处理：阻塞端口可立刻做出响应。

RSTP 快速收敛机制：

• 边缘端口机制：边缘端口直接进入转发状态，无需延时，不会触发拓扑改变。当边缘端口收到 BPDU 后，会转变为非边缘端口
• 根端口快速切换机制：若旧的根端口已进入阻塞状态，且新的根端口连接的对端网桥的指定端口为 Forwarding，则新拓扑的根端口可直接进入 Forwarding
• 指定端口快速切换机制：指定端口通过与相连的网桥进行一次握手（P/A 握手机制），直接进入 Forwarding
  • 握手请求报文：Proposal
  • 握手回应报文：Agreement
  • 条件：必须在点对点链路
    

拓扑改变触发条件：只有非边缘端口转变为 Forwarding，产生拓扑改变

拓扑改变处理：

• 在两倍 Hello Time 时间内向所有的其他指定端口和根端口发送 TC 置位的 BPDU 报文
• 清除除了接收到 TC 报文的端口外的所有其他指定端口和根端口的学习的 MAC 地址表

当 RSTP 与 STP 混用时：

• 若 RSTP 端口连续三次接收到 STP 的 BPDU，则该端口切换回 STP
• 切换到 STP 的 RSTP 端口就失去快速收敛特性
• 当 STP 与 RSTP 混用时，最好将 STP 设备放在网络边缘