多层交换技术(理论篇) 单元3：使用RSTP生成树实现网络快速收敛

当网络中的某台交换机一段时间，没有收到根 交换机发出的配置BPDU报文时，会认为网络拓扑 发生变化，需要重新计算接口状态，切换链路。
当网络中的交换机检测到拓扑变更时，会向根 交换机的方向发送拓扑变更通知，网络中的交换机 收到TCN BPDU报文后，会回复确认信息TCA 。当 根交换机收到拓扑变更通知后，向网络中发送配置 BPDU，通知网络中的交换机重新计算拓扑情况。
学习目标
本单元帮助读者了解单生成树技术。 使用单生成树实现网络快速收敛。
3.1 交换网络中环路
二层网络中交换机通过过滤转发方式传输 数据，有效地改善了传统的二层交换网络中广 播传输较多的缺点。通常在二层交换网络中， 为保障网络的健壮性，需要增加网络的冗余链 路和备份，以增强网络的稳定性，避免单点易 形成网络故障。
Switch F重新选举接口角色，最终，Switch F 和Switch E相连接口为根接口，Switch E的下连接 口变为指定接口，从而完成冗余链路的切换。
3.6 配置生成树STP协议
3.6.1 STP基本配置
在交换机上配置STP的步骤如下所示，根据需要，选择生成树版本是STP、RSTP或MSTP。默认情况下，交换机 自动开启的生成树模式为MSTP。
3.5 STP生成树选举
3.5.2 选举根接口
假设Switch A 被选举为根交换机， Switch B和Switch C需要选举根接口， 对于Switch B来说，可以通过两条路 径到达根交换机。
3.5 STP生成树选举
3.5.2 选举根接口
当非根交换机到达根交换机多条路 径开销都一样时，在这种情况下，无法 通过路径开销选举出最短路径，通过比 较发送BPDUSwitch Bridge ID来选择最 短路径。如图所示拓扑中，很容易判断 Switch B和C到达根交换机最短路径分别 为：B到A，和C到A。但对于Switch D来 说，有两条路径到达根交换机。
3.5.1 选举根交换机
三台交换机最初都认为自己是根交 换机，发送自己的BPDU帧，同时也接 收由其它交换机发送的BPDU帧。在生 成树选举的过程中，MAC地址为 00d0.f883.f4a1的交换机由于具有最小 的Bridge ID，从而被选举为根交换机。 根交换机选举完成后，其它交换机不 再发送自己的BPDU报文，而只转发根 交换机的BPDU报文。
路径一：D→ B→A。 路径二：D→C→A。
3.5 STP生成树选举
3.5.2 选举根接口
接口的优先级范围是0~240，默认值是128。如 某台交换机的接口编号为23，那么Port ID为0x8017。 如图所示发送BPDU报文的接口有两个，一个为 Fa0/1号 接口，一个为Fa0/2号接口，由于优先级都 为128，所以会选择接口号小的链路作为最短链路， 因此Switch C上的根接口为Fa0/1。
3.5 STP生成树选举
3.5.2 选举根接口
在Switch C上，通过Fa0/1 和Fa0/2接口接收BPDU报文，由于Port ID由接口优先级和接口编号组成， 默认情况下接口优先级都为128。因此，通过接口编号可以比较出，Fa0/1所在的链路为最短路径。
3.5 STP生成树选举
3.5.3 选举指定接口
生成树协议的思想十分简单：因为自然 界中生长的树不会出现环路，如果网络也 能够像一棵树那样生长，就永远不会出现 环路。
3.3 BPDU报文传播消息
配置BPDU报文由运行STP的网络中根交换机 周期性发送，内容包括根网桥ID、发送网桥ID、链 路开销、时间间隔等参数，主要用于选举根交换机 和保持拓扑稳定。
Switch#configure terminal Switch(config)#spanning-tree！开启生成树协议 Switch(config)#spanning-tree mode { mstp | rstp | stp } ！配置Spanning Tree 模式 以下示例说明在交换机上如何配置STP协议。 示例3-1 在交换机上配置STP协议 Switch#configure terminal Switch(config)#spanning-tree Switch(config)#spanning-tree mode stp Switch(config)#end
3.4 STP接口状态与定时器
在生成树的计算中，如果网络 中存在环路，总有一些链路需要逻 辑上断开。交换机通过将某些接口 设为阻塞状态（Block），此接口所 在链路也被阻塞。阻塞状态下的接 口不转发数据帧，不学习数据帧中 的MAC地址，但是能监听从上游交 换机发送过来的BPDU报文。
3.5 STP生成树选举
3.1 交换网络中环路
当交换网络存在环路时，对于未知单播帧，交换 机的处理方式是向除接收接口外的所有接口洪泛。网 络中交换机会从不同接口先后收到某台主机发出数据 帧，需要在MAC地址表中不断刷新MAC地址对应接口， 从而引起MA络中，发现某条正在使用 的链路出现故障，开启生成树协议的交换 机会将之前阻塞的接口打开，恢复冗余网 络中的备份链路，保证网络的联通，如图 所示。
单元3：使用RSTP生成树实现网络快速收敛
技术背景
STP生成树协议（Spanning Tree Protocol） 解决交换网络中环路问题，并且在网络拓扑发生变化时，能够实现 交换链路自动收敛。
但早期的STP协议 的网络收敛时间较长，约30~50s的收敛时间对很多应用来说无法忍受。RSTP快速生成树协议 （Rapid Spanning Tree Protocol） 通过技术改进，最快可以达到1s以内，大大地改善了网络传输，优化了网络传输效 率。
网络拓扑中，假设选举出的根交换机是 Switch A，那么对于网段1来说，到达根交换机 上最近的接口，显然是Switch A上的F0/1 接口 。 同样，对于网段2来说，到达根交换机最近的接 口是Switch A上的F0/2接口。
3.5 STP生成树选举
3.5.4 STP拓扑变更
最后，报文到达根Switch A。Switch A向 Switch B发送TCA确认报文，并从指定接口发送 TC报文。收到TC报文的交换机，都将自己的 MAC表老化时间设短，同时，再将TC报文从指定 接口转发出去，扩散到全网。