RSTP的收敛详解

RSTP

802.1w能与802.1D进行协商的，802.1W兼容802.1D协议。

802.1D，即STP是被动收敛，也叫等待收敛，因为要让几种计时器超时后才收收敛。802.1W是主动收敛，因为它会主动去确认端口的状态。

802.1W保留了根桥（选举方式也STP的一样）、根端口，指定端口，选举原则与STP几乎一样。但不包括blocking端口，但用替代端口代替alternative port（从其它<非同一个>的网桥收到比本地更好的BPDU的接口，即是到根的一个替代路径）和备份端口Backup port （从同一个网桥上收到比本地更优的BPDU的接口，提供了到同一链路的冗余的连接）来代替。

边缘端口：收到BPDU后，马上变成转发状态，跳过侦听和学习状态，直接进行转发状态，类似于STP的portfast端口。

点到点和共享是按双工模式来分的，点到点是全双工，共享模式是半双工。

Flag字段八位都用到了，

proposal：建议位，建议怎么协商

port Role：端口角色位，一共有四个角色，Alternative/Backup/Root/Designated Learning：学习状态

Forwarding：转发状态

Agreement:协商同意、一致位

RSTP的版本为2，STP的版本为0

RSTP的hello时间和最大老化时间也没有改变

收到协商位的端口将进行转发状态。

RSTP要收敛协商的过程中是不依赖于任何计时器。

TCN会发给相边所有交换机，RSTP的TCP信息不依赖于根和计时器，这样就会马上收敛，收到TCN的交换机将收到所有MAC的信息列表。缺点是增加了泛洪量。

RSTP收快速收敛的本质有三点：1.边缘端口；2.proposal 位；3.Agreement 位

RSTP收敛是分段收敛：

当收到Proposal置位的BPDU，交换机将会把所有非接收端口以外的端口置为Sync状态（如果本身端口是同步的，就保持原状态，如果端口是指定端口，则将该指定端口变为Block状态），当两台交换机把DP和AP选择好了之后，AP的端口会向DP的端口发送Agreement置位的BPDU，之后，这两个接口的角色收敛了。其它链路的接口收敛的方法与此类拟。BPDU报文里面，高位是TCA，低位是TC。

注意：在点到点链路，即双工模式下的链路下，就可以进行RSTP的快速收敛，如果是共享式链路，即半双工模式，则是通过STP收敛的。

RSTP拓扑图发生变化之后，将会处理两个问题：1.接口收敛；2.CAM表的刷新。每台交换机都有处理这两个问题的能力，所以RSTP将处理这些问题的能力下发给每台交换机，而STP则由根统一指挥。

STP每交换机会发BPDU的HELLO形式的包，允当keep-alive的任务，与OSPF一样。

在配置RSTP协议时，所有的交换机应该启用RSTP，如果有一台是STP的话，将会影响所有配置RSTP的交换机。

RSTP收敛过程的详细分析：

拓扑图：

如果所示：红色字体为优先级；P+数字为交换机端口ID

首先，这六台交换机运行RSTP协议，这六台交换机会有以下操作：

1.选择根网桥：

每台交换机会从自己不为边缘端口（类似于STP的Portfast端口）的端口发送BPDU喧称自己是根网桥，这种选择方法与STP一样：每台交换机会把自己的网桥ID,端口ID等填到BPDU里面，然后发给相邻的交换机，当相邻交换机收到由其它交换机发来的选举根网桥BPDU以后，会把自己本地的BPDU与收到的BPDU 的网桥ID做一个比较，如果更优，就喧称对方为根；由于选根的BPDU交换是所有生成树实例交换机的行为，所以，最优的BPDU的信息会被所有交换机所接收和保存。例如：SW1会把选根的BPDU发给SW2/3，当SW2/3收到后，发现SW1发的BPDU更优（因为SW1的优先级更小），这时SW2/3会把接收到更优的BPDU与接收端口信息保存起来，并且会分别向SW4/5/6发送SW2/3收到的更好的BPDU（里面标识根为SW1），SW4/5/6通过比较（优先级），发现SW2/3发来的BPDU更优，所以SW4/5/6同样会把更优的BPDU与接收端口信息保存起来。这样，拓扑里的所有交换机通过比较BPDU优/劣情况，最终所有交换机一致认为SW1为根桥，此时，根桥就被选举出来了。

在这里要注意几点：

1.RSTP与STP在选举根桥的最大的相同点就是选举方法和参数；

2.RSTP与STP在选举根桥时，都是相互间发BPDU，并且把更优的BPDU信息传给所有邻接交换机的；

3.通过记录更优的BPDU与接收端口信息，可以很容易确定交换机有几条路径可以到达根；

所以总结一句，RSTP与STP在选择根桥的方法和参数基本一样，这点一定要清楚；对于边缘端口，就是RSTP吸取了STP的Portfast的优点，即在RSTP的生成树实例下，每台交换机也可以在连接终端设备（如PC 或路由器）的接口上输入spanning-tree portfast来启用边缘端口。但当启用边缘端口的接口一但收到了BPDU后，该端口的状态马上就会从边缘端口状态进入到正常的生成树接口状态。从这里可以看书，边缘端口的优点与STP的portfast端口的优点是大致一至的。

2.在非根桥上选择根端口、指定端口以及备份或替代端口：

在选择根网桥过程中可以看书，当有多条路可以到达根的话（从多个接口收到更优的BPDU），这里就只能选择一条路，即通过一个端口到达根了，那么这个端口就叫根端口。对于RSTP与STP选举根端口的参数

与STP的基本一样，只是BPDU的发送方式和状态的定义和变化不一样。在RSTP里，所有生成树实例的交换机都要相互（指相邻交换机之间）发送BPDU。

具体过程是：

当根选择出来之后，根交换机会发出一个proposal（协商）位置位的BPDU发给所有的邻居交换机，邻居交换机收到后，会把其它所有的接口状态变为sync（同步）状态（这样做的效果是，同步状态对于边缘接口是没有任何影响的，但对于连有其它交换机的参入到生成树选举的端口则有很大的影响，sync状态会把这些端口给阻塞掉，这样做的目的是切断了当前链路的环路，使RSTP在一个无环的环境下生成）。例如：SW1被选为根之后，它会马上发proposal置位的BPDU给SW2/3，并且会在根路径成本字段里标识为0（因为它就是根），当SW2/3收到之后，它们会将除P3/4其它的所有端口置为sync的状态，这样的结果是P6/7/9/10/11/12这个四端口都会被暂时地阻塞掉，暂时切掉链路的环路，同时会将根路径成本进行路径成本的磊加（根路径成本计算方式与STP的完全一样）（proposal置位，表示在和对方说：我发给你的这个BPDU是不是最优的？如果是最优的话，那么你接收我的这个BPDU的接口可以马上变为根端口<如果当前没有根端口，则该端口会快速度成根端口>或指定端口了<如果该交换机有根端口，那么该交换机收到最优的BPDU的接口就快速度成指定端口，这样就不需要等计时器超时再变，这也就是RSTP生成树能快速收敛的主要原因之一>）；然后，会将根路径成本改后的BPDU发给SW1，并将Agreement（协商一致、同意）位置位，这一方面是对SW1发出的proposal置位的BPDU的最优确认，同时对相连接口状态的确认，即该端口变成根端口（或指定端口，当然在这里SW2/3都没有根端口，那么自然会变成根端口，这是选举的顺序）。这时，SW2/3会把P3/4端口角色变为根端口，状态变为转发状态，SW1收到之后，现发Agreement置位，并且根路径成本比SW1自己发出的要高，这时SW1会把P1端口角色变为指定端口，状态变为转发状态；

注意：如果链路的接口是半双工模式，那就不能照上面的快速收敛的方式来收敛生成树，它会回到STP的收敛方式，只有全双工模式的链路接口才会用这种收敛方式。

如果是处于阻塞状态的接口或边缘端口，并且是全双工模式时，收到proposal 置位的BPDU则会进入到转发状态；对于指定端口才会变为blocking状态，通过下一轮的proposal和Agreement的协商才能进入到转发状态，并选举成对应的接口角色。

block和边缘端口是同步端口，所以proposal置位的BPDU对这样的端口没有什么影响。

之后，SW2/3向除SW1之外的所有交换机发BPDU，同样proposal置位，并且会附带根路径成本（就是刚才算出来的值）；当相邻交换机收到之后，会做与SW2/3收到SW1发出的proposal置位的BPDU后相同的动作。这里要注意一点的就是：原来有端口被选为根接口状态不是会变的，它们只会对发送的BPDU的优/劣进行比较，谁发的优，对应的那个端口就会变成指定端口，相应的另一端为替代端口，替代端口的状态是被阻塞的，即：SW2和SW3之间相互发送BPDU时，就会通过发出BPDU的根路径成本和网桥ID来选择指定端口（因为SW2/3的根端口已经被选出来了），优的那一方会变成指定端口，即P7，那么链路的另一个端口P6会变成替代端口（当根端口失效后替代根端口到达根网桥的路径，如果有多个替代端口，可以通过替代端口到达根桥的根路径成本、发送方网桥ID和发送方的端口ID来先择到达根桥的最优路径）。那么、对于SW2/3与SW4/5/6的情况，那就与刚才的SW1与SW2/3的情况一样了，但不同的是，SW5会从两个接口上收到BPDU，那么SW5就会根据收到的BPDU的优劣来选择根端口和替代端口，选择方式与前面一样，两两之间都发送BPDU，并看各自发出的BPDU的根路径成本和网桥ID，哪一方优，那么对应的接口将成为指定端口，对应的另一端接口通过比较两条路径的优劣来确定端口是根端口角色还是替代端口角色。

最后就是SW4/5/6相互之进行交流，选举指定端口和替代端口，选举方法与前面讲的一样，看各自发出BPDU的优劣作为依据来判断哪边为指定端口，哪边为替代端口，最终生成树收敛。

最终的收敛拓扑图：

通过以上选举：P6/15/17/19最终成为了替代端口，被阻塞掉了。

以下是RSTP生成树收敛的过程：(cisco=HC)

第一步：收到proposal置位的提义BPDU；

第二步：依次block掉其它端口；

第三步：发Agreement同意BPDU，链路两端的接口的角色确定，并状态变为Forward；

第四步：通过第二步block掉的端口依次向下游交换机发送proposal提义BPDU，等待Agreement回应，最终确定端口角色和端口状态；

第五步：其它交换机的处理过程依此类推；

要注意的是：

1.对于RSTP，这些端口选举是主动去协商选举的，速度比STP的通过等待（计时器超时）协商的方式要快的多；

2.RSTP这种选举和收敛方式，在1~2秒的时间内就可以让整个交换网络收敛；

3.RSTP的端口角色与STP的不太一样，但本质没有多大变化；

4.替代端口是对到达根桥路径的备份；备份端口是对指定端口的备份，或是其它交换机到根的由经路径的

备份；

5.RSTP的端口角色的选举参数与STP的完全一样：根路径成本（算法也是一样的）、发送方或相互的网桥ID、发送方端品ID

总结：RSTP与STP的选举参数与比较的本质是一样的，只是生成树形成的过程有区别；RSTP的选举方式更快，这样就使得生成树的收敛时间更短；但如果RSTP 的交换机与STP的交换机一起收敛，那么RSTP的快速收敛方法将不会被正常应用于生成树的收敛之中，因为RSTP是兼容STP的，所以一旦RSTP与STP互操作，结果就是都变成STP了。

RSTP的拓扑变更分析：

例如：当SW3与SW6相连接链路断开，此时，SW3/6都监测到了（链路断开，接口就为DOWN），SW6的根丢失，然后马上将P15变成根端口（因为P15是SW6到达根的备份），并将自己的CAM表的超时时间由原来默认的300秒变为一个转发延迟15秒，然后会从新的根端口P15发出拓扑变化的BPDU，TC置位。SW3也同样会发这样TC置位的BPDU。SW5/2/1收到之后会将这个BPDU泛洪给其它相邻交换机，并且会把自己的CAM表的超时时间改为15秒的转发延迟时间，让CAM表快速超时，这样做的目的是让所有交换机在拓扑图变化的环境下将帧发往正确的方向，其它收到TC置位的交换机的做法也是如此。

注意：

1.对于STP，当拓扑图发生变化时，阻塞端口需要近50秒会变成根端口，或指定端口，而RSTP则是马上；

2.对于STP，在拓扑图收敛以后，只有根桥才会发送BPDU，而其它非根桥只会去转发它；而RSTP则是每2秒钟，每台交换机会向它的邻居交换机相互之间发送BPDU，以此确定邻居交换机是否存活着，如果当3个周期（一个周期默认为2秒）没有收到邻居交换机的BPDU，则此交换机会认为邻居丢失（邻居有可能是指定根或指定网桥），拓扑变化。如果有替代（阻塞）端口就变成根或指定端口，这就类似于STP的uplinkfast功能一样。同时由上面可以看出，替代端口或备份端口也会发BPDU，因为这也是为了与邻居间生成树进行保活。不同接口发的BPDU状态标识不一样，必须与当前接口的角色或状态对应。

RSTP较STP收敛快的原因有三个：

1.边缘端口：边缘端口的引入，大大缩短了终端设备或路由器连入交换网络的时间（正常情况下，致少需要30秒）；

2.角色选举：在选择根端口/指定端口/替代或备份端口时，RSTP则是主动而快速，STP则等待而缓慢；

3.拓扑变更：在拓扑变更时，RSTP里面的每台交换机都会发送BPDU，并且每台RSTP生成树实例的交换机

会把拓扑变更的信息泛洪给与之相连的其它交换机上。

拓扑变更的本质在于两点：

1.CAM表的超时与刷新，以此保证数据帧的正确转发；

2.阻塞端口的启用，以此恢复链路的畅通；