2021.5.17 HCIA的课堂笔记与线下整理_交换机端口不参与stp计算

一、RSTP：实现了网络拓扑快速收敛

出现原因：

STP能够提供无环网络，但是收敛速度较慢。如果STP网络的拓扑结构频繁变化，网络也会随之频繁失去连通性，从而导致用户通信频繁中断。RSTP使用了Proposal/Agreement机制保证链路及时协商，从而有效避免收敛计时器在生成树收敛前超时。如图所示，在交换网络中，P/A过程可以从根桥向下游级联传递。

RSTP的端口角色共有4种：根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口。

预备端口AP，是由于学习到其它网桥发送的更优配置BPDU报文而阻塞的端口；备份端口BP，是由于学习到自己发送的更优配置BPDU报文而阻塞的端口。（也可理解为，AP位于网段的非指定交换机上，BP位于指定交换机上）

运行RSTP的交换机使用了两个不同的端口角色来实现冗余备份。当到根桥的当前路径出现故障时，作为根端口的备份端口，Alternate端口提供了从一个交换机到根桥的另一条可切换路径。Backup端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应LAN网段的备份路径。当一个交换机和一个共享媒介设备例如Hub建立两个或者多个连接时，可以使用Backup端口。同样，当交换机上两个或者多个端口和同一个LAN网段连接时，也可以使用Backup端口。

RSTP里，位于网络边缘的指定端口被称为边缘端口。边缘端口一般与用户终端设备直接连接，不与任何交换设备连接。边缘端口不接收配置BPDU报文，不参与RSTP运算，可以由Disabled状态直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用了一样。但是，一旦边缘端口收到配置BPDU报文，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

端口状态

RSTP把原来STP的5种端口状态简化成了3种。 Discarding状态，端口既不转发用户流量也不学习MAC地址。 Learning状态，端口不转发用户流量但是学习MAC地址。 Forwarding状态，端口既转发用户流量又学习MAC地址。

二、收敛过程

BPDU、

STP中，当网络拓扑稳定后，根桥按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU报文，其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU报文后，才会触发发出配置BPDU报文，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接收到根桥传来的配置BPDU报文，非根桥设备都会仍然按照Hello Timer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。

RSTP收敛遵循STP基本原理。网络初始化时，网络中所有的RSTP交换机都认为自己是“根桥”，并设置每个端口为指定端口。此时，端口为Discarding状态。

每个认为自己是“根桥”的交换机生成一个RST BPDU报文来协商指定网段的端口状态，此RST BPDU报文的Flags字段里面的Proposal位需要置位。当一个端口收到RST BPDU报文时，此端口会比较收到的RST BPDU报文和本地的RST BPDU报文。如果本地的RST BPDU报文优于接收的RST BPDU报文，则端口会丢弃接收的RST BPDU报文，并发送Proposal置位的本地RST BPDU报文来回复对端设备。

交换机使用同步机制来实现端口角色协商管理。当收到Proposal置位并且优先级高的BPDU报文时，接收交换机必须设置所有下游指定端口为Discarding状态。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口，则端口状态保持不变。本例说明了下游指定端口暂时迁移到Discarding状态的情形，因此，P/A进程中任何帧转发都将被阻止。

当确认下游指定端口迁移到Discarding状态后，设备发送RST BPDU报文回复上游交换机发送的Proposal消息。在此过程中，端口已经确认为根端口，因此RST BPDU报文Flags字段里面设置了Agreement标记位和根端口角色。

在P/A进程的最后阶段，上游交换机收到Agreement置位的RST BPDU报文后，指定端口立即从Discarding状态迁移为Forwarding状态。然后，下游网段开始使用同样的P/A进程协商端口角色。

三、链路故障/根桥失效

在STP中，当出现链路故障或根桥失效导致交换机收不到BPDU时，交换机需要等待Max Age时间后才能确认出现了故障。而在RSTP中，如果交换机的端口在连续3次Hello Timer规定的时间间隔内没有收到上游交换机发送的RST BPDU，便会确认本端口和对端端口的通信失败，从而需要重新进行RSTP的计算来确定交换机及端口角色。

RSTP拓扑变化的处理类似于STP拓扑变化的处理，但也有些细微差别。 本例里面，SWC发生链路故障。SWA和SWC立即检测到链路故障并清除连接此链路的端口上的MAC地址表项。接下来SWC选举出新的根端口并立即进入Forwarding状态，因此触发SWC向外发送TC置位的BPDU报文（以下简称TC报文）。通知上游交换机清除所有其他端口上的MAC地址表项，除了接收到TC报文的端口。TC报文周期性地转发给邻居，在此周期内，所有相关接口上MAC地址表项将会被清除，重新学习MAC地址表项。图形里面红色X表示由于拓扑变化导致端口上的MAC地址表项被清除。

RSTP是可以与STP实现后向兼容的，但在实际中，并不推荐这样的做法，原因是RSTP会失去其快速收敛的优势，而STP慢速收敛的缺点会暴露出来。 当同一个网段里既有运行STP的交换机又有运行RSTP的交换机时，STP交换机会忽略接收到的RST BPDU，而RSTP交换机在某端口上接收到STP BPDU时，会等待两个Hello Time时间之后，把自己的端口转换到STP工作模式，此后便发送STP BPDU，这样就实现了兼容性操作。

四、RSTP的配置

边缘端口完全不参与STP或RSTP计算。边缘端口的状态要么是Disabled，要么是Forwarding；终端上电工作后，它就直接由Disabled状态转到Forwarding状态，终端下电后，它就直接由Forwarding状态转到Disabled状态。 交换机所有端口默认为非边缘端口。 stp edged-port enable命令用来配置交换机的端口为边缘端口，它是一个针对某一具体端口的命令。 stp edged-port default命令用来配置交换机的所有端口为边缘端口。 stp edged-port disable命令用来将边缘端口的属性去掉，使之成为非边缘端口。它也是一个针对某一具体端口的命令。 需要注意的是，华为Sx7系列交换机运行STP时也可以使用边缘端口设置。

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。

正常情况下，边缘端口是不会收到BPDU的。但是，如果有人发送BPDU来进行恶意攻击时，边缘端口就会收到这些BPDU，并自动变为非边缘端口，且开始参与网络拓扑计算，从而会增加整个网络的计算工作量，并可能引起网络震荡。 为防止上述情况的发生，我们可以使用BPDU保护功能。使能BPDU保护功能后的交换机的边缘端口在收到BPDU报文时，会立即关闭该端口，并通知网络管理系统。被关闭的边缘端口可配置成自动恢复或管理员手动恢复。 如需使能BPDU保护功能，可在系统视图下执行stp bpdu-protection命令。

交换机通过从上游交换机持续收到BPDU报文来维护根端口和阻塞端口的状态。当由于链路拥塞或者单向链路故障时，交换机不能收到上游交换机发送的BPDU报文，交换机重新选择根端口。最初的根端口会变成指定端口，阻塞端口进入Forwarding状态，这就有可能导致网络环路。 交换机提供了环路保护功能来避免这种环路的产生。环路保护功能使能后，如果根端口不能收到上游交换机发送的BPDU报文，则向网管发出通知信息。根端口会被阻塞，阻塞端口仍然将保持阻塞状态，这样就避免了可能发生的网络环路。 如需使能环路保护功能，可在接口视图下执行stp loop-protection命令。

五、MSTP

RSTP和STP还存在同一个缺陷：由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡。另外，链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了资源、带宽浪费，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发和次优二层路径问题。为此，引入了MSTP，用以解决上述问题。

MSTP把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，每个生成树对应着多个结构相同的VLAN，生成树之间彼此独立。 每个域叫做一个MST域；每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI；VLAN与MSTI的对应关系叫做VLAN映射表。

如图所示，MSTP通过设置VLAN映射表，把VLAN和MSTI联系起来。每个VLAN只能对应一个MSTI（即同一VLAN的数据只能在一个MSTI中传输），而一个MSTI可能对应多个VLAN。经计算，最终生成两棵生成树：MSTI1以S4为根，转发VLAN2的报文；MSTI2以S6为根，转发VLAN3的报文。这样，不同VLAN的报文沿不同的路径转发，实现了负载分担，同时，解决了VLAN2内主机A和主机B的不互通问题。

MSTP与RSTP的端口状态是一样的

1、MSTP拓扑计算的过程

MSTP通过交互MST BPDU进行MSTP拓扑计算。MSTP拓扑计算过程可分为2大部分：CIST的计算和MSTI的计算。具体过程如下： （1）先选出总根，即CIST根桥。 （2）在每个MST域中选出IST域根，即主桥。 （3）在IST域根（即主桥）上选出RP端口，即主桥在CIST上的RP端口。 （4）计算出MST域间链路的DP和AP/BP端口。 （5）在每个MST域中，IST和MST上计算出相应角色的端口。

2、优先级向量及比较规则

CIST和MSTI都是根据优先级向量来计算的，而这些优先级向量信息都包含在MST BPDU中。各交换设备通过交互MST BPDU来生成MSTI和CIST。 参与CIST计算的优先级向量：{总根ID、ERPC、IST域根ID、IRPC、发送者ID、发送端口ID、接收端口ID}。 参与MSTI计算的优先级向量：{MSTI域根ID、IRPC、发送者ID、发送端口ID、接收端口ID}。 比较规则如下： 依次比较优先级向量内部的各个变量，值越小优先级越高，值相同比较下一个变量。 如果接口收到的BPDU优于接口缓存的BPDU，则接口缓存的BPDU被替换，同时，更新交换设备保存的全局BPDU；反之，新收到的BPDU被丢弃。

3、MSTI的特点

每个MSTI独立计算自己的生成树，互不干扰。 每个MSTI的生成树可以有不同的树根，不同的拓扑。 每个MSTI在自己的生成树内发送MST BPDU，进行维护。 每个MSTI的拓扑通过命令配置决定。 每个端口在不同MSTI上的生成树参数可以不同。 每个端口在不同MSTI上的角色、状态可以不同。 另外需要注意的是，在运行MSTP协议的网络中，一个VLAN报文将沿着如下路径转发：在MST域内，沿着其对应的MSTI转发，在MST域间沿着CST转发。