HCIE-RS面试--RSTP为什么优于STP

灰太狼 2022-11-03 11:43 254阅读 0赞

# 为什么RSTP比STP快 #

## RSTP ##

由于STP拓扑收敛速度慢，802.1w定义了RSTP，实现了网络拓扑快速收敛。

### STP的不足之处 ###

#### 1、现象 ####

*  1 网络拓扑收敛慢
 *  2 网络中的拓扑结构频繁变化，导致用户通信频繁中断。

#### 2、具体 ####

*  1 STP没有细分端口状态和端口角色，不利于初学者学习及部署  
    – 从用户角度而言，listening、learning和blocking状态并无区别，都不转发用户流量。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2ODEzODU3_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
    – 从使用和配置角度而言，端口之间最本质的区别不在于端口状态，而在于扮演角色。根端口和指定端口可以都处于listening状态，也可以都处于forwarding状态。  
    – STP是被动的算法，依赖定时器等待的方式来判断拓扑变化，收敛速度慢。  
    – STP算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其它设备进行处理，传遍整个STP网络。

### RSTP的改进之处 ###

*  删除了3种端口状态，增加了2种端口角色，并且把端口属性充分的按照状态和角色解耦
 *  增加一些增强特性和保护措施，实现网络的稳定和快速收敛。  
    **主要是：**
 *  #### 1 通过端口角色的增补，简化生成树协议的理解和部署 ####

![在这里插入图片描述][20210228121346193.png]  
RSTP的端口角色有4种，根端口，指定端口，alternate端口和backup端口。相比于STP，主要是将阻塞端口细分成alternate端口和backup端口。  
**从配置BPDU报文发送角度来看：**

*  alternate端口就是由于学习到其他网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口
 *  backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口  
    从用户流量角度来看：
 *  **alternate端口作为根端口的备份**，提供了从指定桥到根的另一条可切换路径。
 *  **backup端口作为指定端口的备份**，提供另一条从根桥到相应网段的备份链路。  
    给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。
 *  #### 2 端口状态的重新划分 ####

RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为 3 种，根据**端口是否转发用户流量和学习MAC地址**来划分。

*  如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么端口状态就是discarding状态。
 *  如果不转发用户流量但是学习mac地址，那么端口状态就是learning状态。
 *  如果既转发用户流量又学习mac地址，就是forwarding状态。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>STP端口状态</th> 
   <th>RSTP端口状态</th> 
   <th>端口在拓扑中的角色</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>forwarding</td> 
   <td>forwarding</td> 
   <td>RP,DP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>learning</td> 
   <td>learning</td> 
   <td>RP,DP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>listening</td> 
   <td>discarding</td> 
   <td>RP,DP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>blocking</td> 
   <td>discarding</td> 
   <td>AP,BP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>disabled</td> 
   <td>discarding</td> 
   <td>Disabled</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 3 配置BPDU报文格式改变 ####

*  type字段：配置BPDU类型不再是0而是2，所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃
 *  flags字段：使用了原来保留的中间6位，这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU。

#### 4 配置BPDU的处理改变 ####

*  拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式  
    拓扑稳定后，根桥按照hello timer规定的时间间隔发送配置BPDU，其他非根桥设备在收到上游设备发来的配置BPDU后，才会触发发出配置BPDU，此方式使得STP协议计算复杂且缓慢，RSTP对此进行了改进，即在拓扑稳定后，无论非根桥设备是否收到根桥发送来的配置BPDU报文，都会按照hellotimer规定的时间间隔发送配置BPDU，该行为完全由每台设备自主进行。
 *  更短的BPDU超时计时  
    如果一个端口在超时时间（hello time \*3 \* timer factor）内没有收到上游设备发来的配置BPDU，那么该设备就会认为与此邻居之间的协商失败，而不像STP那样需要先等待一个max age
 *  处理次等BPDU  
    当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时，该端口就会将自身存储的RST BPDU与收到的RST BPDU进行比较。如果前者的优先级大于后者，那么直接丢弃，并回应自身存储的RST BPDU，当上游设备收到下游设备回应的RST BPDU后，就会根据收到的RST BPDU报文中的相应字段立即更新自己存储的RST BPDU。  
    由此，RSTP处理次等BPDU报文不再依赖于任何定时器通过超时解决拓扑收敛，从而加快了拓扑收敛。

#### 5 快速收敛 ####

##### 1 P/A机制（快速收敛） #####

当一个端口被选举成为指定端口后，在STP中，该端口至少要等待一个forward delay（learning）时间才会迁移到forwarding状态，而在RSTP中，此端口会先进入discarding状态，再通过P/A机制快速进入forwarding状态，这种机制必须在点到点全双工链路上使用

##### 2 根端口快速切换功能 #####

如果网络中一个根端口失效，那么网络中最优的alternate端口将成为根端口，进入forwarding状态，因为通过这个alternate端口连接的网段上必然有个指定端口可以通往根桥，这种产生新的根端口的过程会引发拓扑变化

**总的来说，新增端口角色的定义决定了端口角色的快速切换，在STP中，对于被阻塞端口只存在一种角色即blocked port，从而在需要端口切换时，需要在多个blocked port 中进行角色选举，浪费了时间，而在RSTP中，因为提前将被阻塞端口根据阻塞原因细分为了alternate port和backup port ，从而在需要切换端口角色时，快速进行切换，避免了角色选举造成的时间浪费。**

##### 3 边缘端口的引入 #####

在RSTP中，如果某一个指定端口位于整个网络的边缘，即不再与其他交换设备连接，而是直接与终端设备直连，这种端口叫做边缘端口。  
边缘端口不参与RSTP运算，可以由disable直接转到forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用，到那时一旦边缘端口收到配置BPDU，就丧失了边缘属性，成为普通STP端口 ，并重新进行生成树计算，引起网络震荡。

#### 6 保护功能 ####

##### 6.1 BPDU保护 #####

在交换设备上，通常将直接与用户终端（如PC机）或文件服务器等非交换设备相连的端口配置为边缘端口。正常情况下，边缘端口不会收到RST BPDU。如果有人伪造RST BPDU恶意攻击交换设备，当边缘端口接收到RST BPDU时，交换设备会自动将边缘端口设置为非边缘端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

交换设备上启动了BPDU保护功能后，如果边缘端口收到RST BPDU，边缘端口将被error-down，但是边缘端口属性不变，同时通知网管系统。

##### 6.2 根保护 #####

由于维护人员的错误配置或网络中的恶意攻击，网络中合法根桥有可能会收到优先级更高的RST BPDU，使得合法根桥失去根地位，从而引起网络拓扑结构的错误变动。这种不合法的拓扑变化，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。

对于启用Root保护功能的指定端口，其端口角色只能保持为指定端口。一旦启用Root保护功能的指定端口收到优先级更高的RST BPDU时，端口状态将进入Discarding状态，不再转发报文。在经过一段时间（通常为两倍的Forward Delay），如果端口一直没有再收到优先级较高的RST BPDU，端口会自动恢复到正常的Forwarding状态。

##### 6.3 环路保护 #####

在运行RSTP协议的网络中，根端口和其他阻塞端口状态是依靠不断接收来自上游交换设备的RST BPDU维持。当由于链路拥塞或者单向链路故障导致这些端口收不到来自上游交换设备的RST BPDU时，此时交换设备会重新选择根端口。原先的根端口会转变为指定端口，而原先的阻塞端口会迁移到转发状态，从而造成交换网络中可能产生环路。

如图3所示，当BP2-CP1之间的链路发生拥塞时，DeviceC由于根端口CP1在超时时间内收不到来自上游设备的BPDU报文，Alternate端口CP2放开转变成了根端口，根端口CP1转变成指定端口，从而形成了环路。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2ODEzODU3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
在启动了环路保护功能后，如果根端口或Alternate端口长时间收不到来自上游设备的BPDU报文时，则向网管发出通知信息（此时根端口会进入Discarding状态，角色切换为指定端口），而Alternate端口则会一直保持在阻塞状态（角色也会切换为指定端口），不转发报文，从而不会在网络中形成环路。直到链路不再拥塞或单向链路故障恢复，端口重新收到BPDU报文进行协商，并恢复到链路拥塞或者单向链路故障前的角色和状态。

##### 6.4 防TC-BPDU保护 #####

交换设备在接收到TC BPDU报文后，会执行MAC地址表项和ARP表项的删除操作。如果有人伪造TC BPDU报文恶意攻击交换设备时，交换设备短时间内会收到很多TC BPDU报文，频繁的删除操作会给设备造成很大的负担，给网络的稳定带来很大隐患。

启用防TC-BPDU报文攻击功能后，在单位时间内，交换设备处理TC BPDU报文的次数可配置。如果在单位时间内，交换设备在收到TC BPDU报文数量大于配置的阈值，那么设备只会处理阈值指定的次数。对于其他超出阈值的TC BPDU报文，定时器到期后设备只对其统一处理一次。这样可以避免频繁的删除MAC地址表项和ARP表项，从而达到保护设备的目的。

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[20210228121346193.png]: /images/20221024/189c767e9a704d53a114096294114f66.png
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