理解快速生成树协议(802.1w)

理解快速生成树协议（802.1w）

注：本文译自思科的白皮书Understanding Rapid Spanning Tree Protocol（802.1w）.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 介绍

Catalyst 交换机对RSTP的支持

新的端口状态和端口角色

端口状态（Port State）

端口角色（Port Roles）

新的BPDU格式

新的BPDU处理机制

BPDU在每个Hello-time发送

信息的快速老化

接收次优BPDU

快速转变为Forwarding状态

边缘端口

链路类型

802.1D的收敛

802.1w的收敛

Proposal/Agreement 过程

UplinkFast

新的拓扑改变机制

拓扑改变的探测

拓扑改变的传播

与802.1D兼容

结论

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 介绍

在802.1d 生成树（STP）标准设计时，认为网络失效后能够在1分钟左右恢复，这样的性能是足够的。随着三层交换引入局域网环境，桥接开始与路由解决方案竞争，后者的开放最短路由协议（OSPF）和增强的内部网关路由协议（EIGRP）能在更短的时间提供备选的路径。

思科引入了Uplink Fast、Backbone Fast和Port Fast等功能来增强原始的802.1D标准以缩短桥接网络的收敛时间，但这些机制的不足之处在于它们是私有的，并且需要额外的配置。快速生成树协议（RSTP；IEEE802.1w）可以看作是802.1D标准的发展而不是革命。802.1D 的术语基本上保持相同，大部分参数也没有改变，这样熟悉802.1D的用户就能够快速的配置新协议。在大多数情况下，不经任何配置RSTP的性能优于思科的私有扩展。802.1w能够基于端口退回802.1D以便与早期的桥设备互通，但这会失去它所引入的好处。

新版的802.1D标准，IEEE802.1D-2004，合并了IEEE802.1t-2001 和IEEE802.1w标准。

本文提供了RSTP对先前的802.1D标准增强的内容。

Catalyst 交换机对RSTP的支持

新的端口状态和端口角色

802.1D定义了四个不同的端口状态：

●Listening,

●Learning,

●Blocking

●Forwarding

参见下面的表格以获得更多信息。

这些端口的状态，无论对于阻塞或转发流量，还是它在活动拓扑中的角色（Root端口，Desgnated端口等）来说，都是混杂的。比如，从操作的观点来看，Blocking和Listening状态的端口没有区别，它们都丢弃帧，也不学习MAC地址。真正的不同在于生成树给予它们的角色。我们可以安全的确定，Listening状态是Designated端口或Root端口在转变成Forwarding状态的过程中。不幸的是，一旦成为Forwarding状态，我们无法从端口状态推断该端口是Root还是Designated角色。这一点说明这个基于状态的术语的失败。RSTP通过分离端口的角色和状态来陈述这个主题。

端口状态（Port State）

RSTP中只留下了三个端口状态，它们对应着三个可能的操作状态。802.1D中的Disabled,

端口角色（Port Roles）

现在，角色成为赋予端口的一个变量。root端口和Designated端口这两种角色仍然保留，然而Blocking端口角色被分成了Backup和Alternate角色。生成树算法（STA）根据桥协议数据单元（BPDUs）决定端口角色。简单起见，关于BPDU需要记住，总有一个方法可以用来比较它们并决定哪一个是最优的，这是基于存于BPDU中的变量来得到的，偶尔也存在接收它们的端口上。考虑到这种情况，以下的段落用实践的方式来解释端口角色。

Root端口角色

在桥设备上接收最优BPDU的端口是Root端口。它是按照术语路径开销（path cost）来计算的距离根网桥最近的端口。生成树算法（STA）在整个桥接网络中选择一个根桥，根网桥发送的BPDU比其他桥设备更有用。根网桥是在桥接网络中唯一没有Root端口的设备，所有其他的网桥都至少在一个端口上接收BPDU。

Designated 端口角色

如果一个端口在向它所连接的网段上发送最优BPDU，该端口就是一个Designated端口。802.1D桥设备把不同的段（segments），比如以太网段，连接在一起来产生一个桥接域。在一给定的段中，只能有一条通往根桥的路径。如果有两条的话，网络中就会有桥接环路。连在同一段的所有桥设备侦听每个BPDU，并一致同意发送最好BPDU的网桥作为该段的指定网桥，该网桥的相应端口就是Desinated端口。

Alternate和Backup端口角色

有两个端口角色对应于802.1D的Blocking状态。阻塞的端口被定义为非Designated和Root 的端口。阻塞的端口接收到的BPDU优于其发送的BPDU。记住，一个端口绝对需要接收BPUD以便保持阻塞。为此，RSTP引入了两个角色。

Alternate端口由于收到其它网桥更优的BPDU而被阻塞，如下图所示：

Backup端口由于收到自己发出的更优的BPDU而被阻塞，如下图所示：

这种区别其实在802.1D中已经做了区分，这也正是思科UplinkFast功能的本质。基本原理在于Alternate端口提供了一个到根网桥的备选路径，因此如果Root端口失效可以替代Root 端口。当然，Backup端口提供了到达同段网络的备选路径，但不能保证到根网桥的备用连接。因此，它不包括在Uplink的组中。

同样，RSTP用和802.1D同样的标准来计算生成树最终的拓扑，网桥和端口优先级的使用也没有丝毫改变，在思科的实现中，Discarding状态被称作Blocking，CatOS release 7.1及其后版本仍然显示Listening和Learning状态，这就比IEEE标准提供了更多的有关端口的信息。然而，这新功能会使协议定义的端口角色和它当前状态存在不一致的情况。比如，现在一个端口同时既是Designated又是Blocking是完全合法的，然而，这种情况只发生在很短的时间内，只是表示该端口正在向Designated forwarding状态转变。

新的BPDU格式

RSTP的BPDU引入了很少改变。在802.1D中仅仅定义了两个标志：拓扑改变（TC）和TC 确认（TCA）。然而，如今RSTP用来剩余的所有6位，用于：

●编码产生该BPDU的端口的角色和状态

●执行Proposal/Agreement机制

新的BPDU处理机制

BPDU在每个Hello-time发送

BPDU在每个Hello-time时间间隔都会发送，而不再仅仅传播（relay）。在802.1D中，非根网桥只有在其Root端口收到BPDU时，才产生BPDU。事实上，网桥只是传播（relay）BPDU，而不是生成BPUD。在802.1w中不再是这样，网桥在每一个（默认2秒）都会发送包含自己当前信息的BPDU，即便自己没有收到根网桥的BPDU。

信息的快速老化

一个端口如果连续三次没有收到hello，协议信息就会立即老化（或者如果max_age过期）。由于上面提到的协议修改，BPUD可以用作网桥之间的keep-alive机制。如果一个网桥连续没有收到三个BPDU，它就会认为自己已经和其直连的Root或Designated网桥失去连接。信息的快速老化可以快速的检测链路故障，如果一个网桥不能从其相邻的设备收到BPDU，它们之间的连接无疑已经断开了。这和802.1D是不同的，这种问题在802.1D中可能发生在通往根网桥的路径中的任何地方。

注：物理链路的失效能够更快的探测出来。

接收次优BPDU

这个概念是BackboneFast（Cisco）的核心。IEEE 802.1w委员会决定在RSTP中引入类似的机制。当网桥从它的Designated或Root网桥收到次优的BPUD，它会立即接受它并替换掉先前存储的信息。

由于网桥C仍然知道根（Root）网桥是有效的和正常的，它立即想网桥B发送一个包含根网桥信息的BPDU。因此，网桥B不再发送它自己的BPDU，并接受连接到网桥C的端口为Root端口。

快速转变为Forwarding状态

快速转变是802.1w引入的最重要的功能。先前的STA（快速生成树算法）在把一个端口转变成Forwarding状态前，只是被动的等待网络收敛。要想获得较快的收敛只能调整保守的默认参数（Forward Delay和Max_age定时器），并往往造成网络的稳定性问题。新的快速STP能够主动的确定端口能够安全的转变成Forwarding状态，而无需依赖任何定时器。现在，在RSTP兼容的设备中有了一个真正的反馈机制。为了在端口上获得快速收敛，协议依靠两个新的变量：边缘端口（edge port）和链路类型（link type）。

边缘端口

边缘端口的概念思科生成树用户早已熟知，因为它和PortFast功能紧密相关。在网络中，所有和终端用户直连的端口不会产生环路。因此，边缘端口可以直接转变为Forwarding状态，而略去Listening和Learning阶段。当链路断开或连上时，边缘端口和使能了PortFast的端口都不会引起拓扑改变。与PortFast不同，边缘端口一旦收到一个BPDU，它就会立即失去边缘端口的属性而称为一个正常的生成树端口。从这一点来看，边缘端口有一个用户配置值和一个操作值。思科在实现中保留了PortFast关键字用于边缘端口的配置，这使用户易于转变到RSTP。

链路类型

RSTP只能在边缘端口和点对点链路上实现快速的转换为Forwarding状态。链路类型是从端口的双工模式（duplex mode）自动获取的。默认时，操作在全双工模式的端口被认为是点对点的，而操作在半双工模式的端口被认为是共享端口。这自动设置的链路类型能被显式的配置所覆盖。在当今的交换网络中，大多数的链路都是工作在全双工模式，RSTP会认为它们是点对点链路。因此，它们可以快速的转换为Forwarding状态。

802.1D的收敛

下面的图演示了当一个新的链路新加入桥网络时，802.1D的处理过程：

Root和交换机A中新加入的端口立即进入Listening

状态，阻塞流量。从根开始的BPDU开始通过A传播

在这种情景下，根桥和A之间的链路刚刚加入。假设之前桥A和根桥已经存在一条非直连路径（图中通过C-D）。STA会阻塞一个端口以避免桥接环路。首先，根桥和A之间链路的两个端口一旦激活，它们就会进入Listening状态。现在，桥A能够直接从根桥收到BPDU，它会立即把它的BPDU从Designated端口向树的枝叶方向传播出去。桥B和桥C一旦收到从桥A发送来的更优的BPDU，它们也会立即向枝叶方向传播这些信息。几秒钟后，桥D 收到从根桥发送来的BPDU并立即阻塞端口P1。

很快，从根桥发出的BPDU到达桥D，桥D立即阻塞它的端口P1。虽

然现在拓扑收敛了，但网络被破坏了转发延时(forward_delay)的2倍时间。

802.1w的收敛

现在来看RSTP是怎样处理相同的情景。记住，最终的拓扑结构和802.1D计算的完全相同（就是说，一个Blocked端口位于和上面相同的位置），只是用于达到这种拓扑的步骤改变了。

桥A和根桥之间链路两端的端口一旦激活，它们就会被置于Designated阻塞状态。到目前为止，所有的行为和纯802.1D环境中完全相同。然而，在这个阶段，桥A和根桥之间要进行一次协商。一旦桥A收到根桥的BPDU，它就会阻塞它的非边缘端口。这个操作叫做同步。同步一完成，桥A就会明确的授权根桥将其端口置为Forwarding状态。下图演示了网络中这一过程的结果：桥A和根桥之间的链路被阻塞了，并且它们在交换BPDU。

一旦桥A阻塞了它的非边缘端口，桥A和根桥之间的链路就被置于Forwarding状态，而到达如下情景：

现在仍然没有环路。网络不再阻塞桥A以上的链路，而是阻塞桥A以下的链路。然而，这在不同的位置切断了网络环路。断点位置沿着根桥产生的BPDU通过桥A在树中向下传播。在这阶段，桥A中新的阻塞端口也会通过与桥B和桥C相连的端口进行协商而快速的进入Forwarding状态，当然在次之前桥B和桥C也会进行同步操作。不像根桥的端口和桥A，桥B只有边缘Designated端口。因此，没有端口需要阻塞以授权桥A进入Forwarding状态。同样，桥C仅阻塞它和桥D相连的Designated端口。图中的状态到达如下情景：

记住，最终的拓扑结构和802.1D实例中的完全相同，这意味这桥D的端口P1最终会被阻塞。这表示，仅在新的BPDU在树中传播的时间内，已经到达了最终的拓扑结构。在这快速的收敛过程中没有定时器参与。RSTP唯一引入的新机制是，一个交换机可以在它新的Root端口发送确认（acknowledgment）信息用于授权立即转换到Forwarding状态，而略过

两倍的转发延时的Listening和Learning状态。管理员仅需要记住这些从快速收敛中的受益：●网桥之间的协商仅发生在点对点之间的链路中（就是说在全双工链路，除非显式的端口

配置）

●边缘端口扮演一个比802.1D中的PortFast更为重要的角色。如果管理员没有在桥B上

正确的配置边缘端口，这些端口的连通性就会受到桥A和根桥之间链路的影响。Proposal/Agreement 过程

当一个端口被STA选为Designated端口，802.1D仍然会等两倍的<转发延时>秒（默认=2*15秒），才把它转为Forwarding状态。在RSTP中，这种情况对应于一个端口拥有Designated 角色但处于Blocking状态。下图演示了快速状态转换是怎样一步一步完成的。假如根桥和桥A之间接入了新的链路，链路两端的端口都会被置于一个Designated阻塞状态，知道它们从对段受到BPDU。

当一个Designated端口处于Discarding或者Learning状态（并仅在这种情况下），它会在它发出的BPDU中设置proposal位。这正是在上图所示的步骤1中，根桥的端口p0所需要做的。由于桥A受到更优的信息，它立即知道p1称为新的Root端口。桥A接着就会启动一个同步操作，以确定它所有的端口都处于同步状态。一个端口如果满足以下条件之一，那它就处于同步状态：

●端口处于Blocking状态，即在稳定拓扑中的discarding状态。

●端口是一个边缘端口。

为了演示同步机制对不同种类的端口的影响，假设网桥A存在一个Alternate端口p2，一个Designated端口p3，和一个边缘端口p4。请注意，p2和p4已经满足以上一个条件。为了同步（见上图的步骤2），桥A仅仅需要阻塞端口p3，并把它置为discarding状态。现在，桥A所有的端口都以同步，它可以打开它新选的Root端口p1并向根桥发送一个agreement消息（见步骤3）。这个消息是它收到的proposal BPDU的复制，不同之处仅是设置了agreement 位而不是proposal位。这确保端口p0确切的知道它收到的是哪个proposal的agreement。

一旦p0收到该agreement，它会立即转换为Forwarding状态。这就是过程图中的步骤4。注意，同步后端口p3处于designated discarding状态。在步骤4中，这个端口处于与步骤1中的端口p0相同的状态。同样，它会和它的相邻网桥开始propose，试图快速的转变成转发状态。

Proposal/agreement机制是很快速的，因为它不依靠任何定时器。握手的浪潮快速的向网络的边缘扩散，并在网络拓扑改变后迅速的恢复连接。

如果Designated Discarding端口在发出proposal后没有受到哦agreement，它也会慢慢的转变为Forwarding状态，这又退回到了传统的802.1D的Listening-Learning过程。如果对端设备不能识别RSTP BPDU，或对端的端口处于阻塞状态，就会发生这种情况。

思科加强了同步机制，网桥同步时仅阻塞它先前的Root端口。这种机制的工作细节超出了本文的范围。然而，可以安全的假设它包括了绝大多数通常的重新收敛的情况。这种机制在本文“802.1w的收敛”一节中描述的情景中非常有效，因为仅仅在通往最终阻塞端口的路径上的端口临时阻塞了。

UplinkFast

RSTP引入了另一个快速转变为Forwarding状态类似与思科的UplinkFast生成树私有扩展。基本上来讲，当一个网桥失去了它的Root端口，它能将它的最优的Alternate端口直接置为Forwarding状态（RSTP也会处理新Root端口的出现）。一个Alternated端口被选为新的Root 端口会引起拓扑改变。802.1w拓扑改变机制会清除上游网桥可编址内容表（CAM）的相应条目。This removes the need for the dummy multicast generation process of UplinkFast。UplinkFast不需要进一步的配置，因为RSTP本来就包括并自动使能了该机制。

新的拓扑改变机制

当802.1D网桥检测到了拓扑改变，它会用一个可靠的机制来首先通知根网桥。如下图所示：

T处产生了拓扑改变。第一步，一个TCN向上发送给根桥。

第二步，根桥广播TC <最大老化时间+转发延时>时间

一旦根网桥得知网络拓扑有改变，它会在它所发出的BPDU中设置TC标志，这会传播给网络中的所有网桥。当一个网桥收到一个设置了TC标志位的BPDU，它会把它的桥转发表（bridge-table）的老化时间减少到转发延时的时间。这可以相对快速的清除旧信息，参见Understanding Spanning-Tree Protocol Topology Changes以获得有关这一过程的更多信息。在RSTP中，这一机制发生了很大改进，无论拓扑改变过程的探测还是其在网络中的传播。

拓扑改变的探测

在RSTP中，仅仅非边缘端口转变为Forwarding状态会引起拓扑改变。这和802.1D不同，一个连接的断开不再被认为是拓扑改变（这就是说，一个端口转变为Blocking不再设置TC 标志）。当一个RSTP网桥检测到拓扑改变：

●如果必要，它会启动一个TC等待定时器(TC while timer)，定时器的长度等于它所有非

边缘Designated端口和Root端口的hello-time的两倍。

●它会刷新所有和这些端口相关的MAC地址。

注：只要端口运行TC等待定时器，从这个端口发送出去的BPDU都会设置TC标志位。当TC等待定时器激活时，Root端口也会发送BPDU。

拓扑改变的传播

当网桥从邻接的网桥收到设置了TC位的BPDU，它会：

●它会清除它所有端口上学到的MAC地址，除了收到拓扑改变的那个端口。

●它会启动一个TC等待定时器，并在它所有的Designated和Root端口发送带有TC标志

的BPDU（RSTP不再用特定的TCN BPDU，除非需要通知一个早期的网桥）。

这样，TCN快速的洪泛到整个网络。现在，TC传播成为一个一步的过程。事实上，是拓扑改变的发起者来洪泛该信息，不像在802.1D中，仅仅根网桥可以洪泛拓扑改变。这就不再需要等待通知根网桥，再在网络中维持<最大老化时间+转发延时>秒的拓扑改变状态。

TC产生者直接洪泛该信息到整个网络

仅在几秒之内，或几倍的Hello-time，整个网络中设备的CAM表中的大部分条目就会刷新。这个方法会引起更多的临时洪泛，但另一方面，它清除了潜在的会影响快速收敛的过时信息。

与802.1D兼容

RSTP可以和早前的STP协议共同工作。不过，需要指出的是当与早期的网桥互操作时，802.1w会失去其固有的快速收敛的好处。

每一个端口都维护着一个变量，用于定义相应网段的协议。在端口激活时，一个3秒的迁移延时定时器也会同时启动。当定时器运行时，端口当前的STP或RSTP模式会被锁定。当迁移定时器过期时，端口会适应为它所收到的下一个BPDU的相应模式。如果端口是由于收到BPDU而改变操作模式，迁移延时会重新开始。这就限制了可能的频繁改变模式。

举例来说，假设上图中桥A和B在运行RSTP，桥A为该段的Designated端口。一个运行早期STP的桥C被引入该链路。由于802.1D网桥忽略RSTP BPDU并丢弃它们，C认为该段中没有其他的网桥，并开始发送它的次优的802.1D格式的BPDU。当桥A收到这些BPDU，最大两倍hello-time以后，该端口会改变为802.1D模式。因此，现在C可以理解桥A的BPDU，并接收A作为该段的指定网桥。

注意在特定情况下，如果移去桥C，桥A的那个端口仍然运行在STP模式，尽管它和它唯一的邻居B运行RSTP会更有效。这是因为桥A不知道桥C从网段中移去。对这种特殊（而很少见）的情况，需要用户手工干预以重启该端口的协议探测。

当一个端口运行在802.1D兼容模式时，它可以处理拓扑改变通知（TCN）BPDU和设置了TC或TCA标志位的BPDU。

结论

RSTP（IEEE 802.1w）生来就包括大部分思科对802.1D生成树的私有增强，比如BackboneFast, UplinkFast和PortFast。RSTP在正确配置的网络中可以获得快速的收敛，有时在几百毫秒左右。传统的802.1D定时器，比如转发延时和最大老化时间，仅仅用于备用。如果点对点和边缘端口被正确的识别和被管理员正确设定，就不再需要这些定时器。而且，如果不用与早期的网桥互通，这些定时器也不再需要。