RSTP介绍加实操

简介

 STP协议虽然能够解决环路问题，但是收敛速度慢，影响了用户通信质量。如果STP网络的拓扑结构频繁变化，网络也会频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断。IEEE于2001年发布的802.1w标准定义了快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning-Tree Protocol），RSTP在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛

主要特点

• 快速收敛

  • RSTP通过优化端口状态转换机制，大大加快了网络的收敛速度。例如，当链路故障发生时，RSTP能够快速检测到故障并重新计算生成树，将收敛时间从STP的数十秒缩短到几秒甚至更短。

  • RSTP引入了“快速收敛”机制，允许端口在某些情况下直接从丢弃状态进入转发状态，而不需要经过侦听和学习阶段。

• 边缘端口（Edge Port）

  • RSTP引入了边缘端口的概念，边缘端口是指直接连接终端设备（如计算机、打印机等）的端口，而不是连接到其他交换机的端口。边缘端口可以直接进入转发状态，而不需要经过侦听和学习阶段，这进一步加快了收敛速度。

  • 例如，在一个企业网络中，当新设备接入网络时，如果连接该设备的端口被配置为边缘端口，那么该端口可以立即开始转发数据帧，而不会像STP那样需要等待较长时间。

• 多种端口角色

  • RSTP定义了多种端口角色，包括根端口（Root Port）、指定端口（Designated Port）、替代端口（Alternate Port）和备份端口（Backup Port）。这些端口角色的定义使得RSTP能够更灵活地处理网络拓扑变化。

  • 根端口是指从该端口到根桥的路径成本最低的端口；指定端口是指在某个网段上被选为转发数据帧的端口；替代端口是指在根端口或指定端口故障时可以替代它们的端口；备份端口是指在指定端口故障时可以替代它的端口。

• BPDU保护

  • RSTP增强了BPDU（Bridge Protocol Data Unit）的保护机制。BPDU是交换机之间传递的协议数据单元，用于确定网络的拓扑结构。RSTP通过BPDU保护机制，可以防止恶意设备发送伪造的BPDU，从而保护网络的稳定性。

  • 例如，当交换机检测到某个端口收到的BPDU优先级高于自己发送的BPDU时，它会采取相应的措施，如关闭该端口，以防止网络拓扑被错误地改变。

（P/A）机制

快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）的Proposal/Agreement（P/A）机制是其快速收敛的核心机制之一。以下是P/A机制的详细工作原理：

工作原理

1. Proposal阶段：当交换机端口处于丢弃（Discarding）状态且角色为指定端口（Designated Port）时，会发送一个带有Proposal位和Agreement位都为1的BPDU给对端交换机。这表示该端口希望成为指定端口，并请求对端交换机的同意。

2. 同步过程：对端交换机收到Proposal BPDU后，会判断接收端口是否即将成为根端口（Root Port）。如果是，对端交换机会进入同步（Sync）过程，阻塞所有非边缘指定端口，以防止临时环路的产生。

3. Agreement阶段：同步过程完成后，对端交换机会回应一个带有Agreement位为1的BPDU给发送方交换机。这表示对端交换机同意该端口成为指定端口。

4. 快速切换：发送方交换机收到Agreement BPDU后，端口状态直接变为转发（Forwarding）状态，从而实现链路的快速收敛。

运行条件

• P/A机制只能在点对点的全双工链路上运行。交换机通过自动协商来识别链路类型。默认情况下，生成树协议会自动检测与接口相连的链路是否为点对点链路。如果交换机从某个接口收到了来自不同发送者的两种BPDU，就会认为该接口连接到了共享型链路，此时P/A机制无法运行。

优势

• 快速收敛：通过P/A机制，RSTP可以将端口从阻塞状态切换到转发状态的时间从传统STP的30秒缩短到几秒钟。

• 逐链路收敛：P/A机制允许网络拓扑的逐链路收敛，而不必像STP那样需要被动等待全网实现收敛。

注意事项

• 如果指定端口发出的Proposal BPDU后没有收到Agreement BPDU，则该端口将切换到STP方式，需要等待30秒时间才能进入转发状态

通过P/A机制，RSTP能够快速确定指定端口，显著提高了网络的收敛速度

BPDU（Bridge Protocol Data Unit）

在快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）中，BPDU（Bridge Protocol Data Unit）是交换机之间用于交换生成树信息的关键数据包。RSTP对BPDU进行了优化和扩展，以支持快速收敛机制。以下是关于RST BPDU的详细介绍：

1.RST BPDU的类型

RSTP定义了两种类型的BPDU：

• 配置BPDU（Configuration BPDU）：用于交换机之间传递生成树信息，包括桥ID、端口ID、路径成本等。

• 拓扑变更通知BPDU（Topology Change Notification BPDU，TCN BPDU）：用于通知其他交换机网络拓扑发生了变化。

2.RST BPDU的格式

RST BPDU的格式在传统STP的基础上进行了扩展，增加了新的字段和标志位，以支持RSTP的快速收敛机制。以下是RST BPDU的主要字段：

表格

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字段名称	长度（字节）	描述
协议标识符	2	固定值0x0000，标识生成树协议
协议版本标识符	1	RSTP的版本号，固定值0x02
BPDU类型	1	0x00表示配置BPDU，0x80表示TCN BPDU
标志字段	1	包含Proposal、Agreement、Learning、Forwarding等标志位
根桥ID	8	根桥的桥ID，包括优先级和MAC地址
根路径成本	4	到根桥的路径成本
桥ID	8	发送BPDU的桥ID
端口ID	2	发送BPDU的端口ID
消息优先级	2	消息的优先级
最大跳数	1	最大跳数，用于防止BPDU无限循环
消息老化时间	2	BPDU消息的老化时间
拓扑改变标志	1	拓扑改变标志，用于通知拓扑变化
拓扑改变确认标志	1	拓扑改变确认标志，用于确认拓扑变化
拓扑改变通知标志	1	拓扑改变通知标志，用于通知拓扑变化

3.RST BPDU的作用

• 配置BPDU的作用

  • 传递生成树信息：配置BPDU用于交换机之间传递生成树信息，包括根桥ID、路径成本、桥ID、端口ID等。这些信息用于确定网络的拓扑结构。

  • Proposal/Agreement机制：通过配置BPDU中的Proposal和Agreement标志位，支持RSTP的快速收敛机制。Proposal标志位用于请求对端交换机的同意，Agreement标志位用于确认对端交换机的请求。

  • 端口角色和状态的确定：配置BPDU中的信息用于确定端口的角色（如根端口、指定端口、替代端口等）和状态（如丢弃、学习、转发）。

• 拓扑变更通知BPDU的作用

  • 通知拓扑变化：当网络拓扑发生变化时（如链路故障、端口状态变化等），交换机会发送TCN BPDU通知其他交换机。TCN BPDU用于触发生成树的重新计算，确保网络的稳定运行。

  • 快速响应拓扑变化：通过TCN BPDU，交换机可以快速响应拓扑变化，重新计算生成树，恢复网络通信。

4.RST BPDU的处理

• 接收BPDU的处理

  • 当交换机收到一个BPDU时，会根据BPDU中的信息更新生成树状态。例如，如果收到的BPDU中的根桥ID更优，则会更新根桥信息，并重新计算路径成本。

  • 如果收到的BPDU是Proposal BPDU，交换机会根据P/A机制进行处理。如果交换机同意该端口成为指定端口，则会发送一个Agreement BPDU。

• 发送BPDU的处理

  • 交换机会定期发送配置BPDU，以维持生成树的稳定运行。配置BPDU的发送间隔通常为2秒。

  • 当网络拓扑发生变化时，交换机会发送TCN BPDU，通知其他交换机拓扑变化。

5.与STP BPDU的比较

• 格式扩展：RST BPDU在STP BPDU的基础上增加了新的字段和标志位，以支持快速收敛机制。例如，增加了Proposal和Agreement标志位。

• 快速收敛：RST BPDU通过P/A机制，能够快速确定端口角色和状态，显著提高了网络的收敛速度。

• 兼容性：RST BPDU与STP BPDU是兼容的，RSTP交换机可以与STP交换机一起工作。当RSTP交换机与STP交换机相连时，RSTP交换机会自动将自己配置为STP模式。

通过优化BPDU的格式和处理机制，RSTP能够快速适应网络拓扑变化，提高网络的稳定性和收敛速度。

工作原理

配置RSTP命令

• 启用RST

  [Huawei] stp mode rstp

  这条命令将交换机的生成树模式设置为RSTP模式。

• 配置端口优先级

  [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp port-priority 32

  通过设置端口优先级，可以影响端口在生成树中的角色。优先级越低，端口越有可能成为根端口或指定端口。

• 配置根保护

[SWA-GigabitEthernet0/0/1]stp root-protection

由于错误配置根交换机或网络中的恶意攻击，根交换机有可能会收到优先级更高的BPDU报文，使得根交换机变成非根交换机，从而引起网络拓扑结构的变动。这种不合法的拓扑变化，可能会导致原来应该通过高速链路的流量被牵引到低速链路上，造成网络拥塞。交换机提供了根保护功能来解决此问题。根保护功能通过维持指定端口角色从而保护根交换机。一旦启用了根保护功能的指定端口收到了优先级更高的BPDU报文时，端口会停止转发报文并且进入Listening状态。经过一段时间后，如果端口一直没有再收到优先级较高的BPDU报文，端口就会自动恢复到原来的状态。根保护功能仅在指定端口生效，不能配置在边缘端口或者使能了环路保护功能的端口上

• 配置边缘端口

• [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp edged-port enable

  将端口配置为边缘端口，边缘端口可以直接进入转发状态，加快收敛速度。

• 配置BPDU保护

  [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp bpdu-protection

  启用BPDU保护功能，防止恶意设备发送伪造的BPDU，保护网络拓扑的稳定性。

3.华为交换机中RSTP的监控和维护

华为交换机提供了丰富的命令和工具来监控和维护RSTP的运行状态：

• 查看生成树状态

  [Huawei] display stp brief

  这条命令可以显示生成树的简要信息，包括根桥信息、端口角色、端口状态等。

• 查看端口状态

  [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] display stp interface gigabitethernet 0/0/1

  通过指定端口，可以查看该端口的生成树状态，包括端口角色、端口状态、路径成本等。

• 查看BPDU信

  [Huawei] display stp bpdu

  查看BPDU的发送和接收情况，帮助诊断网络拓扑问题。