RSTP协议
RSTP
RSTP是从STP发展而来，实现的基本思想一致。
- RSTP标准版本为IEEE802.1w
- RSTP具备STP的所有功能，可以兼容STP运行
- RSTP和STP有所不同：
- 减少了端口状态
- 增加了端口角色
- BPDU格式及发送方式不同
- 当交换网络拓扑结构发生变化时，RSTP可以更快地恢复网络的连通性。
RSTP的端口状态
STP端口状态：
- Disabled（端口没有启用）：此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，不参与生成树
计算。 - Blocking（阻塞状态）：此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，此状态下端口
接收并处理BPDU，但是不向外发送BPDU。 - Listening（侦听状态）：此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，只参与生成树
计算，接收并发送BPDU。 - Learning（学习状态）：此状态下端口不转发数据帧，但是学习MAC地址表，参与计算生
成树，接收并发送BPDU。 - Forwarding（转发状态）：此状态下端口转发数据帧，但是学习MAC地址表，参与计算生
成树，接收并发送BPDU。
RSTP把Disabled、Blocking、Listening合成一个Discading状态。
RSTP的端口角色
STP中有根端口（Root Port）、指定端口（Designated Port）、阻塞端口（Alternate Port），而RSTP中增加了Backup端口、边缘端口（也可以说是特殊的指定端口）。
Backup Port 也可以理解成交换机自己成环时的端口（同一链路指定端口的备份）。
Alternate Port也可以理解成交换机与交换机成环时的端口（同一网桥根端口的备份）。
边缘端口：
- 边缘端口指网桥上直接和终端相连的端口。
- 边缘端口可以直接进入转发状态，不需要延时，并且不会触发拓扑改变。
- 边缘端口收到BPDU后，会转变为非边缘端口。
RSTP BPDU格式
RSTP BPDU 的 Flags 字段详解（对比 STP）
以下是 RSTP（802.1w）与 STP（802.1D）在 BPDU 格式及 Flags 字段的关键区别及具体含义：
1. BPDU 格式差异
| 字段 | STP (802.1D) | RSTP (802.1w) | 说明 |
|---|---|---|---|
| Protocol Version ID | 0 | 2 | RSTP 使用版本号 2 标识。 |
| BPDU Type | 0x00 (配置 BPDU) | 0x02 (RSTP BPDU) | RSTP 的 BPDU 类型为 0x02。 |
| Flags 字段利用率 | 仅用 2 位（TC/TCA） | 使用全部 8 位 | RSTP 通过 Flags 传递更多信息。 |
| Version 1 Length | 无 | 新增（兼容 STP） | 用于向后兼容 STP 设备。 |
2. Flags 字段 8 位的具体含义
RSTP 的 Flags 字段充分利用了所有 8 位，各标志位含义如下：
| 位 | 名称 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 0 | Topology Change (TC) | 标识网络拓扑变化（类似 STP）。 |
| 1 | Proposal § | 用于 P/A 机制，提议端口成为指定端口（快速收敛）。 |
| 2-3 | Port Role | 两位组合表示端口角色： - 00: 未知 - 01: Alternate/Backup - 10: Root Port - 11: Designated Port |
| 4 | Learning (L) | 端口处于学习状态（正在构建 MAC 表）。 |
| 5 | Forwarding (F) | 端口处于转发状态（可正常转发数据）。 |
| 6 | Agreement (A) | 用于 P/A 机制，确认对端的 Proposal 请求（快速收敛）。 |
| 7 | Topology Change Ack (TCA) | 确认收到拓扑变化通知（类似 STP）。 |
3. 关键机制对比
-
端口角色标识（位2-3）
- STP 不显式携带端口角色，需通过计算确定。
- RSTP 直接在 BPDU 中声明角色（如 Root Port、Alternate Port），加速收敛决策。
-
P/A 机制（位1和位6）
- Proposal §: 发起快速切换请求（如指定端口竞选）。
- Agreement (A): 对端同意后，端口立即进入转发状态（跳过 STP 的 30 秒延迟）。
-
状态标识（位4-5）
- 直接通过
Learning和Forwarding位声明端口状态，避免依赖计时器。
- 直接通过
4. 示例场景
场景：RSTP 快速收敛（P/A 机制）
- 交换机A的新端口激活，发送 Proposal (P=1) 的 BPDU。
- 交换机B收到后，阻塞其他端口，回复 Agreement (A=1)。
- 交换机A收到后，立即将端口置为 Forwarding (F=1)，完成秒级收敛。
5. 总结
- RSTP 的 Flags 字段是快速收敛的核心，通过显式携带端口角色、状态和协商标志，取代了 STP 的被动等待机制。
- 关键改进：
- 端口角色与状态直接编码在 BPDU 中。
- P/A 机制实现点到点链路的秒级收敛。
- 完全利用 8 位 Flags，增强信息传递效率。
当网络拓扑发生变化时，RSTP（快速生成树协议）会通过BPDU中的Flags字段来传递这一信息。以下是拓扑变化发生时BPDU中相关字段的具体设置：
1. 拓扑变化触发的字段设置
当检测到拓扑变化（如链路故障或新链路加入）时，RSTP BPDU的Flags字段会按以下方式设置：
| 字段 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| Topology Change (TC) (位0) | 1 | 表示网络拓扑已发生变化，需要其他交换机快速更新转发表。 |
| Topology Change Ack (TCA) (位7) | 1 | 用于确认收到拓扑变化通知（仅在响应TC标志时由下游交换机设置）。 |
| Port Role (位2-3) | 根据实际角色 | 可能变为： - 00（未知，如新端口）- 01（Alternate/Backup端口）- 10（新选举的Root Port）- 11（Designated Port） |
| Learning (L) (位4) | 0或1 | 若端口需重新学习MAC地址，则置1。 |
| Forwarding (F) (位5) | 0或1 | 根据新拓扑决定是否转发数据（如新Root Port置1，阻塞端口置0）。 |
2. 拓扑变化的具体流程
场景1：链路故障
-
检测故障：
- 交换机发现某端口（如Root Port）失效，立即将本地BPDU的 TC位（位0）置1，并通过所有Designated Port发送。
- 端口角色字段更新（如原Alternate Port变为新Root Port，位2-3从
01变为10）。
-
传播TCN：
- 下游交换机收到TC=1的BPDU后：
- 将 TCA位（位7）置1 作为确认。
- 清空相关端口的MAC表（通过Learning位=1触发重新学习）。
- 下游交换机收到TC=1的BPDU后：
场景2：新链路加入
-
P/A机制：
- 新端口的BPDU中：
- Proposal (P=1)（位1）：请求成为Designated Port。
- Port Role=11（位2-3）：声明为Designated Port候选。
- 对端交换机回复：
- Agreement (A=1)（位6）：同意提案，端口立即进入Forwarding状态（F=1）。
- 新端口的BPDU中：
-
拓扑更新：
- 若新链路改变了最优路径，触发TC=1通知全网更新。
3. BPDU示例（拓扑变化时）
假设交换机A的Root Port失效，新选举Alternate Port为Root Port：
RSTP BPDU Flags字段值：
位0 (TC) = 1 # 拓扑变化
位1 (P) = 0 # 非P/A过程
位2-3 (Port Role) = 10 # 新Root Port
位4 (L) = 1 # 重新学习MAC
位5 (F) = 1 # 新Root Port需转发
位6 (A) = 0 # 未使用
位7 (TCA) = 0 # 仅响应时置1
4. 与STP的对比
| 行为 | STP (802.1D) | RSTP (802.1w) |
|---|---|---|
| 拓扑变化通知 | 依赖TCN BPDU（单独消息） | 直接通过TC标志位（位0）在配置BPDU中传递 |
| MAC表更新 | 等待Max Age计时器超时（20秒） | 立即清空相关端口MAC表（TC=1触发） |
| 端口角色切换 | 依赖计时器（30秒） | 通过Flags字段显式声明角色，秒级切换 |
5. 总结
- TC=1：核心标志，表示拓扑变化，触发全网快速更新。
- Port Role字段：动态反映端口角色变化（如Alternate→Root Port）。
- P/A机制（P=1/A=1）：用于新链路快速协商，避免等待计时器。
- 与STP的区别：RSTP通过Flags字段的精细控制，将收敛时间从分钟级缩短到秒级。
通过这种设计，RSTP 将收敛时间从 STP 的 30~50 秒缩短到 1 秒以内，显著提升网络可靠性。
RSTP（快速生成树协议）的3个快速收敛机制
RSTP（IEEE 802.1w）是STP（802.1D）的改进版，主要优化了收敛速度。它的3个核心快速收敛机制如下：
1. 边缘端口（Edge Port）
- 作用：加速终端设备的接入，避免不必要的STP计算。
- 特点：
- 直接连接终端设备（如PC、服务器、IP电话等），不会形成环路。
- 不参与STP计算，默认立即进入Forwarding状态（无需经历Listening/Learning状态）。
- 需手动配置（如Cisco的
spanning-tree portfast）。
- 优势：
- 终端设备接入时立即可用（传统STP需要30~50秒收敛）。
- 避免因终端频繁上下线触发STP重新计算。
注意：如果错误地将边缘端口连接到交换机（可能形成环路），会导致广播风暴！
2. 根端口快速切换（Root Port Fast Transition）
- 作用：当根端口失效时，快速启用备份端口（Alternate Port）作为新根端口。
- 条件：
- 新根端口的对端端口必须已经是Designated Port（DP）且处于Forwarding状态。
- 过程：
- 传统STP中，新根端口需要经历Listening→Learning→Forwarding（30秒）。
- RSTP中，如果对端DP已处于Forwarding状态，说明链路无环路，新根端口直接进入Forwarding状态（无需等待）。
- 优势：
- 根端口切换时间从30秒缩短到几毫秒。
根端口快速切换的扩展讨论：对端端口非DP或非Forwarding状态的情况
在RSTP中，根端口快速切换（Root Port Fast Transition） 的核心思想是：如果新根端口的对端端口已经是Designated Port（DP）且处于Forwarding状态，则新根端口可以直接进入Forwarding状态。但若这一条件不满足（例如对端端口不是DP或未处于Forwarding状态），RSTP的处理逻辑会有所不同。以下是详细分析：
1. 对端端口不是Designated Port（DP）
可能场景：
- 对端端口是 Alternate Port 或 Backup Port（阻塞状态）。
- 对端端口尚未完成角色选举（例如新链路刚激活）。
RSTP的行为：
- 无法直接快速切换，因为对端端口未承担转发职责，可能存在环路风险。
- 触发 P/A机制（Proposal/Agreement）：
- 新根端口会发送带有 Proposal标志（P=1） 的BPDU，请求对端同意其成为根端口。
- 对端交换机需阻塞其他冗余端口（确保无环路），然后回复 Agreement标志（A=1）。
- 收到Agreement后，新根端口才能进入Forwarding状态。
- 收敛时间：通常为1~2秒（比STP的30秒快，但比“直接切换”略慢）。
示例：
交换机A（原根端口失效） 交换机B
-------------------------- --------------------------
新根端口（RP候选） ----------- 对端端口（Alternate Port）
- 交换机A的新根端口发送P=1的BPDU。
- 交换机B将Alternate Port切换为DP，阻塞其他端口，回复A=1。
- 交换机A收到后，新根端口进入Forwarding状态。
2. 对端端口是DP但未处于Forwarding状态
可能原因：
- 对端DP因拓扑变化临时阻塞（例如刚完成角色选举，尚未进入Forwarding）。
- 链路不稳定导致状态未同步。
RSTP的行为：
- 需等待对端DP完成状态转换（Listening→Learning→Forwarding）。
- RSTP会通过 BPDU中的Learning（L）和Forwarding（F）标志 同步状态：
- 若对端DP的F=0，新根端口需等待其变为F=1。
- 收敛时间：取决于对端DP的状态转换速度（通常小于1秒）。
优化机制：
- RSTP的 同步机制（Sync） 会强制对端DP快速进入Forwarding状态（通过P/A机制协商）。
3. 对比STP的局限性
| 场景 | STP (802.1D) | RSTP (802.1w) |
|---|---|---|
| 对端是DP且Forwarding | 固定30秒延迟 | 直接切换（毫秒级） |
| 对端非DP或未Forwarding | 依赖计时器（50秒以上） | 触发P/A机制（1~2秒） |
| 链路不稳定 | 多次计时器重置 | 通过BPDU标志快速同步状态 |
4. 总结
- 理想情况（对端是DP且Forwarding）：RSTP实现毫秒级切换。
- 非理想情况（对端非DP或未Forwarding）：
- 依赖P/A机制协商，收敛时间1~2秒。
- 仍远快于STP的30~50秒。
- 核心优势：RSTP通过显式协商（Flags字段）和状态同步，避免了STP的被动等待，适应复杂拓扑变化。
关键点：RSTP的快速切换不仅依赖条件满足时的“直接生效”，更通过灵活的协商机制覆盖所有场景，确保快速收敛。
3. 指定端口快速切换（Proposal/Agreement机制，P/A）
- 作用：在点到点链路（如交换机直连）中快速协商指定端口状态。
- 过程（以两台交换机A和B为例）：
- Proposal（提议）：
- 交换机A检测到新链路，发送RSTP BPDU，其中包含
Proposal标志，请求成为该网段的指定端口（DP）。
- 交换机A检测到新链路，发送RSTP BPDU，其中包含
- Agreement（同意）：
- 交换机B收到后，阻塞所有非边缘端口，确保无环路风险，然后回复
Agreement标志。 - 交换机A收到
Agreement后，立即将端口置为Forwarding状态（无需等待）。
- 交换机B收到后，阻塞所有非边缘端口，确保无环路风险，然后回复
- 逐链路收敛：
- 该机制在点到点链路上逐跳生效，实现全网快速收敛（传统STP需要逐设备等待）。
- Proposal（提议）：
- 优势：
- 指定端口的收敛时间从30秒缩短到1~2秒。
非点到点链路（共享链路/多访问网络）中的P/A机制行为
在RSTP中，Proposal/Agreement（P/A）机制 的设计初衷是针对 点到点链路（Point-to-Point Link） 的快速收敛。当链路类型为 非点到点（如共享式Hub或多访问网络） 时，P/A机制的行为会发生变化，甚至可能无法生效。以下是详细分析：
1. 非点到点链路的典型场景
- 共享式Hub环境：多个设备通过Hub连接，形成单一冲突域。
- 多访问网络：如传统以太网广播域（未启用全双工或未配置为点对点链路）。
- 无线网络：AP与多个客户端共享的无线介质。
在这些场景中，无法保证链路的独占性，因此RSTP会采取保守策略。
2. P/A机制在非点到点链路中的限制
（1）P/A机制默认不生效
- RSTP会检测链路类型（通过双工模式或手动配置）：
- 全双工链路：自动识别为点对点，启用P/A机制。
- 半双工链路：识别为共享介质，禁用P/A机制。
- 行为差异：
链路类型 P/A机制 收敛方式 点对点（全双工） 启用 快速协商（1~2秒） 共享式（半双工） 禁用 回退到STP的监听/学习状态（30秒）
（2）收敛过程回退到STP模式
- 指定端口的选举仍需通过传统的 Listening→Learning→Forwarding 状态机：
- Listening（监听）：15秒，检测环路。
- Learning（学习）：15秒，构建MAC表。
- Forwarding（转发）：最终状态。
- 总延迟：30秒（与STP相同）。
（3）原因分析
- 共享链路的环路风险：
在非点到点链路中，多个端口可能竞争成为指定端口，P/A机制无法确保所有端口的同步阻塞，可能导致临时环路。 - BPDU传播不可靠：
共享介质中BPDU可能被冲突或延迟，P/A的“提议-同意”握手无法保证原子性。
3. 实际案例
场景：交换机通过Hub连接
交换机A ----------------- Hub ----------------- 交换机B|交换机C
- 问题：
- Hub是共享介质，交换机A和交换机B的端口均可能成为指定端口。
- 若启用P/A机制，交换机A和B可能同时发送Proposal（P=1），但Hub无法保证BPDU的顺序，导致协商失败。
- 结果：
- RSTP禁用P/A机制，回退到STP的30秒收敛。
解决方案：
- 更换为交换机：将Hub替换为交换机，配置全双工点对点链路。
- 手动强制点对点模式：在交换机端口配置
spanning-tree link-type point-to-point（需确认物理链路支持）。
4. 与点对点链路的对比
| 特性 | 点对点链路（P/A生效） | 非点到点链路（P/A不生效） |
|---|---|---|
| 收敛时间 | 1~2秒 | 30秒 |
| BPDU交互 | 直接握手（P/A） | 依赖计时器 |
| 环路风险 | 无（同步阻塞保证） | 需保守等待 |
| 典型场景 | 交换机直连、全双工光纤 | Hub连接、半双工无线网络 |
5. 总结
- P/A机制仅在点对点链路中生效：这是RSTP实现秒级收敛的核心前提。
- 非点到点链路的表现：
- 禁用P/A机制，回退到STP的30秒收敛。
- 因无法保证环路安全，必须保守等待端口状态机完成。
- 优化建议：
- 避免使用Hub等共享设备，优先部署全双工点对点链路。
- 检查交换机端口配置，确保链路类型正确识别（如
show spanning-tree interface）。
关键结论：RSTP的快速收敛能力高度依赖网络拓扑的确定性设计，非点到点环境会丧失其核心优势。
对比传统STP的改进
| 机制 | 传统STP（802.1D） | RSTP（802.1w） |
|---|---|---|
| 边缘端口 | 无，所有端口需经历30秒收敛 | 手动配置，立即Forwarding |
| 根端口切换 | 需30秒（Listening+Learning） | 对端DP已Forwarding则立即生效 |
| 指定端口协商 | 无，依赖计时器 | P/A机制，1~2秒完成 |
总结
- 边缘端口：加速终端接入，避免STP计算。
- 根端口快速切换：利用对端DP状态跳过等待时间。
- P/A机制：通过握手协议实现点到点链路的秒级收敛。
RSTP通过这些机制将网络收敛时间从STP的30~50秒缩短到1秒以内，适用于现代高可用网络。
RSTP中BPDU的处理
- 网桥自行从指定端口发送RST BPDU，不需要等待来自根桥的RST BPDU。发送周期为2sHello Time
- 在标准RSTP实现中，若连续3个Hello Time未收到邻居BPDU，网桥会触发邻居失效检测机制。
阻塞端口（Discarding状态）：通常是Alternate Port或Backup Port，不转发数据，但会持续监听BPDU。
• 收到低优先级BPDU：
◦ 若收到的BPDU中根桥ID或路径开销比自己存储的更差（即优先级更低），可以立即回应自身存储的更优BPDU。
◦ 目的：帮助邻居快速纠正错误的拓扑信息，加速收敛。
RSTP拓扑改变处理机制详解
您提供的图示描述了RSTP（快速生成树协议）中拓扑改变（Topology Change, TC）的触发条件和处理流程。以下是专业解析和补充说明：
1. 拓扑改变的触发条件
-
正确描述：
- 只有当非边缘端口（Non-Edge Port）转变为Forwarding状态时，才会触发拓扑改变（TC）。
- **边缘端口（Edge Port）**的状态变化（如PortFast端口）不会触发TC，因为它们直接连接终端设备，不会引入环路风险。
-
常见触发场景：
- 新链路激活（端口从Discarding/Learning → Forwarding）。
- 故障链路恢复（Alternate Port切换为Forwarding）。
2. 拓扑改变的处理流程
（1）TC报文的发送
- 发送者：检测到拓扑改变的交换机（如端口变为Forwarding的交换机）。
- 发送范围：
- 在两倍Hello Time时间内（默认Hello Time=2秒，即4秒），向以下端口发送TC标志位置1的BPDU：
- 所有指定端口（Designated Ports）
- 根端口（Root Port）
- 在两倍Hello Time时间内（默认Hello Time=2秒，即4秒），向以下端口发送TC标志位置1的BPDU：
- 目的：快速通知全网交换机更新拓扑。
（2）MAC地址表清除
- 清除规则：
- 交换机收到TC BPDU后，会清除除接收端口外的所有指定端口和根端口学习到的MAC地址。
- 例外：边缘端口的MAC表项通常保留（因其连接终端，无环路风险）。
- 作用：强制重新学习MAC地址，避免因拓扑变化导致数据包转发错误。
3. 完整流程示例
场景：SW1的端口G0/1从Discarding变为Forwarding（非边缘端口）。
- SW1检测到TC：
- 端口G0/1变为Forwarding，触发TC事件。
- SW1发送TC BPDU：
- 在4秒内，向所有指定端口和根端口发送TC=1的BPDU。
- 邻居交换机（如SW2）处理：
- 收到TC BPDU后：
- 清除除接收端口外的所有指定端口和根端口的MAC表项。
- 继续向其他下游端口转发TC BPDU（形成泛洪效应）。
- 收到TC BPDU后：
- 全网更新：
- 所有交换机在短时间内（秒级）完成MAC表更新和路径收敛。
4. 与STP的对比
| 行为 | STP (802.1D) | RSTP (802.1w) |
|---|---|---|
| TC触发条件 | 端口变为Forwarding或阻塞 | 仅非边缘端口变为Forwarding |
| TC传播机制 | 依赖根桥发起TCN BPDU | 本地交换机直接发送TC BPDU |
| MAC表清除范围 | 所有端口 | 仅指定端口和根端口 |
| 收敛时间 | 30~50秒 | 1~2秒 |
5. 华为设备的特殊处理
- TC报文发送周期：默认两倍Hello Time（4秒），但可通过命令调整：
stp tc-protection interval ? # 修改TC发送间隔 - MAC表老化时间：通常与标准一致，但可通过
mac-address aging-time独立配置。
6. 常见配置问题
-
边缘端口误配置：
若将非边缘端口错误配置为edge-port，可能导致TC事件无法触发，形成临时环路。
解决方法：# Huawei undo stp edged-port interface GigabitEthernet0/0/1# Cisco no spanning-tree portfast interface Gi1/0/1 -
TC风暴防护：
频繁TC事件可能引发CPU过载。建议启用防护：# Huawei stp tc-protection enable# Cisco spanning-tree portfast bpduguard
7. 总结
- 触发精准：仅非边缘端口的Forwarding状态变化触发TC，避免不必要的收敛。
- 快速传播：TC BPDU直接泛洪，无需依赖根桥中转。
- 定向清除MAC：最小化对转发性能的影响。
如需验证实际网络中的TC行为，可通过以下命令：
# Huawei
display stp tc-bpdu statistics# Cisco
show spanning-tree detail | include TC