STP和RSTP协议理解
一、协议作用
解决二层网络中的环路问题。
二、环路带来的危害
- 广播风暴
- MAC表紊乱
- 多帧复制
三、STP协议
spanning-tree proto，在逻辑上将特定端口进行block，从而保证传输链路是一个生成树。在一个物理环路的交换网络中，交换机通过运行STP协议，自动生成一个没有环路的工作拓扑。
（一）作用
- 消除环路：阻塞冗余链路。
- 链路备份：当前活动链路发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。
（二）相关概念
- 桥：（Bridge）早期交换机一般只有2个端口，那时的交换机称为“网桥”，或简称“桥”，现仍使用。桥和交换机这两个术语混用。
- 桥的MAC地址：1个桥有多个转发端口，每个端口有一个MAC地址。通常将端口编号最小的那个端口的MAC地址作为整个桥的MAC地址。
- 桥ID：（Bridge Identifier ，BID），桥ID由2个部分组成 – 前2个字节是桥优先级，后面的6个字节是桥的MAC地址。桥优先级可人为设定，缺省32768（0x8000）。
- .端口ID：（Port Identifier，PID），指一个桥（交换机）的某个端口的ID。不同厂商的PID定义方法不同(端口优先级+端口编号)。缺省优先级128，范围是[0,255]。
（三）STP初始化操作
1. 生成树建立过程
- 每个交换网络选举一个根桥（Root Bridge)（泛洪发送配置BPDU报文，初始所有桥都认为自己是根桥）。
- 每个非根桥选举一个根端口（Root Port）;
- 每个段选举一个指定端口（Designated Port）;
- 阻塞非指定端口（NonDesignated Port）;
2. 选举操作
- 选举操作依赖于BPDU报文的泛洪。
- 通过比较BPDU报文中的Root identifier, Root Path Cost, Bridge identifier, port identifier进行选举。
- 比较次序：Root identifier > Root Path Cost > Bridge identifier > port identifier。
- 值越小越优先。
3. BPDU报文
（1） 结构
- max age 默认：20
- Hello time 默认： 2
- Forward delay 默认： 15
（2）特点
- 二层报文
- 定时发出，维护链路状态
- 多播
（四）STP 端口状态
- disable
- blocking
- listening
- learning
- forwarding
（五）STP拓扑变更机制
注意：个人理解这里分为端口故障变更和线路故障变更
（1）端口故障造成的拓扑变更
- 由端口故障交换机自己感知到，从根端口发出TCN-BPDU报文。
- 该交换机端口直接进入listening状态，花费30s进行拓扑变更（listening+learning）。
（2）线路故障造成的拓扑变更
- 线路故障交换机没办法直接感知到。
- 交换机经过Max age没有收到BPDU报文，则从根接口发送TCN-BPDU报文。
- 随后进入listening状态，重新生成树。
- 花费20+15+15=50s
（六）缺陷
收敛速度慢，每次拓扑变更需要经过listening和learning。
四、 RSTP协议
（一）、充分利用BPDU的flag字段
（二）、新增Alternate端口、Backup端口
- Alternate端口：根端口替换端口。
- Backup端口：指定端口替换端口。
（三）、P/A协商：端口快速收敛机制
- 交换机在启动后端口会都是转发端口，状态都是discarding，然后相互发送带porposal位的请求给对方。
- 交换机通过比较接收的BPDU判断选举根桥，其他交换机为防止临时环路，端口状态都是discading。
- 根桥会发送porposal的协商请求，非根桥收到后会将端口状态变为forwarding然后回复agreement BPDU。
- 逐层收敛，从根收敛到树叶。
（四）、维持树方式：自己发送配置BPDU
- stp中由根桥以hello time间隔时间发送配置BPDU给其他非根桥，如果其他交换机超过 Max Age时间就会认为根桥down掉了，然后非根桥之间再重新选举出新的根桥来。
- rstp 中每台非根桥都会以自己的hello time时间间隔向其他非根桥发送 BPDU，以确认树的存在。
- 如果突然某个拓扑结构发生了改变，如一个端口down掉了，那么该交换机会向其他交换机发送TC BPDU来清空各个交换机的MAC地址表。
（五）、边缘端口
- 直接与终端相连而不是与其它网桥相连的端口定义为边缘端口。
- 边缘端口可直接进入forward状态，零时延。
- 需要人工配置。
缺陷
- rstp协议必须在双全工点对点链路上运行。
- 同stp一样仍然是单生成树，收敛时间长，拓扑变化影响大。
- VLAN不适用（对于非对称网络，如两个交换机间，一条trunk链路，一条一般链路，block了trunk端口，显然错误）。
- 会造成带宽浪费。
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