RSTP快速⽣成树协议之（三）：RSTP对STP的改进以及数据包
分析
解子征RSTP快速⽣成树协议之（三）
RSTP对STP的改进以及数据包分析
在RSTP快速⽣成树协议之（⼀）STP协议的不⾜中，已经列举了STP协议中的各种弊端：初始化时间长；拓扑变更时收敛时间长，机制复杂；连接终端造成不必要的计算；以及端⼝⾓⾊和端⼝状态的不⾜等。所以，本节笔记将会介绍RSTP对STP这些弊端的改进措施。 在讨论RSTP对STP的改进前，可以先去了解⼀下之前的笔记，其中介绍了STP有哪些不⾜之处：
RST BPDU（RSTP的BPDU报⽂）
RSTP协议的BPDU格式和STP协议是相同的，但是报⽂参数略有不同。
（1）BPDU Type字段
RSTP使⽤了类似STP的BPDU报⽂，即RST BPDU报⽂。⽽报⽂中的BPDU Type字段则是⽤来区分不
同STP协议的BPDU报⽂的。
STP协议的BPDU Type字段是0（0x00）时，代表这个报⽂是配置BPDU；当是128（0x80）时，代表这个报⽂是TCN
BPDU（Topology Change Notification）；当是2（0x02）时，则代表是RSTP的RST BPDU报⽂。
crj-200 Tips：BPDU Type是0x02时，不仅可能是RST BPDU（Rapid Spanning-Tree BPDU），还可能是MST BPDU（Multiple Spanning-Tree BPDU）。
（2）flags字段
在STP协议中，BPDU的报⽂中flags字段只定义了拓扑变化TC（Topology Change）和拓扑变化确认TCA（Topology Change Acknowledge），⽽其他字段是保留的。
⽽在RSTP的RST BPDU中，flags还使⽤了其他的字段，它把原来保留的中间6位都利⽤了起来。这新增的6位作⽤包括表⽰P/A进程，定义端⼝⾓⾊和端⼝状态。这样改变了配置BPDU的叫RST BPDU。
以下是flags字段中各bit所代表的含义：
TCA（第7 bit，⾼位）：拓扑改变响应位，STP笔记中有提及，不再赘述
Agreement（第6 bit）： P/A进程的A置位。详细⽤途会在下⾯讲P/A机制时再进⾏探讨
Forwarding（第5 bit）：为真时表⽰端⼝的状态是Forwarding，此时端⼝处于既转发⽤户流量⼜学习MAC地址的状态。
Learning（第4 bit）：为真时表⽰端⼝的状态是Learning，此时端⼝处于学习MAC地址，但不转发⽤户流量的状态。
Flags（第3和2 bit）：表⽰端⼝⾓⾊（Port Role），因为占2个⽐特，可以表⽰4种不同的端⼝⾓⾊。
Proposal：（第1 bit）： P/A进程的P置位，详细⽤途会在下⾯讲P/A机制时再进⾏探讨。
TC（第0 bit，低位）：拓扑改变位，STP笔记中有提及，不再赘述。
Tips：端⼝⾓⾊（Port Role）不同取值的不同含义
Port Role = 00 时，为Unkown未定义
Port Role = 01 时，为Alternate Port 预备端⼝ /Backup Port 备份端⼝
Port Role = 10 时，为Root Port根端⼝
Port Role = 11 时，为Designated Port指定端⼝
针对问题⼀的改进：P/A机制
我们知道，STP有初始化环境下收敛时间长的问题，为了改进这个问题，RSTP提出了P/A机制。
td-scdma gsm （1）P/A机制的基本原理
P/A机制，即Proposal/Agreement机制，中⽂对应是提议/同意机制。它的⽬的是使⼀个指定端⼝尽快的进⼊到Forwarding状态中。
P/A机制要求两台交换设备之间链路必须是点对点的全双⼯模式。⼀旦P/A协商不成功，指定端⼝的选举就会回到STP的协商⽅式，就需要等待两个Forward Delay（30秒）时间。
相对于STP来说，P/A带来了来回确认机制和同步变量机制，⽽不再需要等待计时器超时来保障⽆环路。
（2）P/A机制的具体⼯作过程
通过P/A机制，RSTP是这样加快拓扑收敛的速度的。如下图所⽰，局域⽹内有三台刚开启的运⾏RSTP协议的交换机： cag 阶段⼀：
由于设备刚启动，与STP⼀样，所有交换机都会认为⾃⼰是根桥。不同的是，此时交换机会向其他交换机发送P置位（即Flags中的Proposal位置为1）的BPDU报⽂（以下将这种报⽂简称为P消息），这个BPDU报⽂包含了该交换机的配置信息；并把发送P消息的端⼝变成指定端⼝（DP⼝），同时端⼝状态处在Discarding状态。如上图所⽰。
阶段⼆：
由于SWA的桥优先级是最⾼的，所以SWA不会对SWB或SWC发来的BPDU做出反应，⽽是继续发送⾃⼰的P消息。
SWB和SWC收到SWA发送过来的P消息，对⽐桥优先级后⼀致认为SWA才是根桥，此时他们就会根据P/A机制协商流程向SWA回复A 置位（即Flags中的Agreement位置为1）的BPDU（以下将这种消息简称为A消息）。并把⾃⼰的发送端⼝改为根端⼝（RP），同时端⼝处于Forwarding状态，可以进⾏
数据转发。
阶段三：
此时SWB与SWA，SWC与SWA的P/A协商基本完成，接下来就是SWB和SWC之间的P/A协商。以下是协商的过程：
Step 1：SWB和SWC都会发送根桥为SWA的P消息给对⽅。
Step 2：SWC收到SWB的P消息后，发现P消息⾥虽然根桥和⾃⼰认可的⼀样，但是发送者的桥优先级⽐⾃⼰⾼(SWB>SWC)，所以会马上停⽌发送P消息，但是由于已经有端⼝是根端⼝（RP），也不会回A消息。
Step 3：SWB收到SWC的P消息后，发现P消息⾥虽然根桥和⾃⼰认可的⼀样，但是发送者的桥优先级⽐⾃⼰低(SWB>SWC)，所以会继续不停地发送P消息。
Step 4：以上状态在等待2个Forward Delay（30秒）时间后，SWB的桥优先级⽐较⾼，所以SWB的端⼝为指定端⼝（DP），处于Forwarding状态；SWC的桥优先级⽐较低，所以SWC的端⼝为预备端⼝（AP），处于Discarding状态。
实际上SWB与SWC之间的协商等同于退回到STP的模式，但是反正是Discarding状态，根本不影响其他业务转发。
大荒神舞 Tips：以上就是RSTP使⽤P/A机制进⾏选举端⼝⾓⾊的过程。可以看出，其原理从本质上还是和STP协议是相同的。流程都可以总结如下：
选举根桥（根交换机）=》选举根端⼝ =》选举指定端⼝ =》选举预备端⼝和备份端⼝
RSTP在这个流程的基础上，加⼊了“发起提议-同意回复”（P/A机制）这种确认机制，正是因为在每个步骤有确认机制的接⼊，就再不需要依赖计时器来保证⽹络拓扑⽆环才去转发，只需要考虑BPDU发送报⽂并计算⽆环拓扑的时间（⼀般都是秒级）。
针对问题⼆的改进：根端⼝快速切换机制
在STP协议中，如果⼀台⾮根交换机的根端⼝（RP）因故障原因突然down了，那么其阻塞端⼝（BP）则需要等待两倍的Forward Delay（30秒）时间才能重新进⼊Forwarding（转发）状态。那么RSTP是如何解决这个问题的呢？
如图所⽰：⾮根交换机SWC的根端⼝（RP）突然发⽣故障⽽down了。
RSTP定义中，作为到根桥的备份，其新增了端⼝⾓⾊：预备端⼝Alternate Port（以下简称AP）。为加快收敛时间，当设备上旧的根端⼝失效时，预备端⼝就可以在保证链路⽆环的情况下，从Discarding状态⽴刻迁移到Forwarding状态。
RSTP协议中，预备端⼝（AP）要切换成根端⼝（RP）并进⼊转发状态可以在秒级时间内完成收敛。这样就可以解决STP收敛慢的问题。
针对问题三的改进：次等BPDU处理机制
在问题⼆中，我们讨论的是当⾮根交换机的根端⼝down了，⽽另⼀个端⼝是预备端⼝时的情况，由于预备端⼝不参与转发BPDU，所以交换机可以很快的将该端⼝切换成根端⼝。
那么如果另⼀个端⼝是指定端⼝（DP）的情况呢？
在STP协议中，由于对端交换机收到了次优的BPDU且不做处理，需要等计时器超时（20秒），交换机才会知道拓扑发⽣了变更。⽽想要重新选举，还要等待两倍的Forward Delay（30秒）的时间，才能让拓扑收敛。那么，RSTP⼜是如何改进这个问题的呢？
如上图所⽰：SWB与根桥SWA之间的链路发⽣故障，使得根端⼝down了，接下来RSTP协议的协商过程如下：
Step 1：SWB感应到⾃⼰的根端⼝发⽣故障，失去了与根桥的联系。于是开始将⾃⼰作为根桥，向外发送Proposal置位的BPDU。
Step 2：SWC的预备端⼝（AP）收到次优BPDU后会马上发送本地最优的BPDU给对端SWB，同时端⼝⾓⾊从预备端⼝（AP）变更为指定端⼝（DP）。
Step 3：SWB收到更优的BPDU，会⽴即重新定义端⼝⾓⾊，将原指定端⼝（DP）端⼝改为根端⼝（RP），然后发送Agreement置位的BPDU。
Step 4：SWC在收到Agreement置位的BPDU后会⽴即进⼊转发状态。
RSTP处理次等BPDU报⽂时，不再依赖于任何定时器超时解决拓扑收敛，⽽是会⽴即发送本地最优的BPDU给对端，从⽽加快了拓扑收敛。
针对问题四的改进：引⼊边缘端⼝
在STP协议中，即使是连接终端的链路也都参与到拓扑收敛的计算中。但是只要确保终端设备不会出现环路，那么纳⼊STP的计算和使⽤等待计时器超时的机制都是不必要的。
为此，RSTP引⼊了边缘端⼝的概念。只要设置连接终端的端⼝为边缘端⼝，那么交换机上的该对应链路可⽴即进⼊转发状态。秘鲁渔场
交换机上连接终端设备的接⼝设置成为边缘端⼝后，不会参与STP的计算，⽽会⽴即进⼊转发。
Tips：
但当该端⼝收到BPDU后，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。
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