STP/RSTP原理及区别

802.1D—STP，802.1W—RSTP，802.1S—MSTP
定义：
以太网交换网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路。但是使用冗余链路会在交换网络上产生环路，引发广播风暴以及MAC地址表不稳定等故障现象，从而导致用户通信质量较差，甚至通信中断。为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。

与众多协议的发展过程一样，生成树协议也是随着网络的发展而不断更新的，从最初的IEEE 802.1D中定义的STP到IEEE 802.1W中定义的快速生成树协议RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol），再到最新的IEEE 802.1S中定义的多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）。

生成树协议中，MSTP兼容RSTP、STP，RSTP兼容STP。三种生成树协议的比较如图所示。

部署生成树的目的：
在以太网交换网中部署生成树协议后，如果网络中出现环路，生成树协议通过拓扑计算，可实现：
1.消除环路：通过阻塞冗余链路消除网络中可能存在的网络通信环路。
2.链路备份：当前活动的路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。

STP出现的背景：
STP是一个用于局域网中消除环路的协议。运行该协议的设备通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并适当对某些端口进行阻塞以消除环路。由于局域网规模的不断增长，生成树协议已经成为了当前最重要的局域网协议之一。

如图1所示网络中，会产生如下两种情况：
1.广播风暴导致网络不可用。
环路产生广播风暴，广播风暴会导致网络不可用。图1中，假设交换设备上没有启用STP协议。如果HostA发出广播请求，那么广播报文将被其他两台交换设备的端口port1接收，并分别从端口port2广播出去，然后端口port2又收到另一台交换设备发过来的广播报文，再分别从两台交换设备的端口port1转发，如此反复，最终导致整个网络资源被耗尽，网络瘫痪不可用。

2.MAC地址表震荡导致MAC地址表项被破坏。
即使是单播报文，也有可能导致交换设备的MAC地址表项混乱，以致破坏交换设备的MAC地址表。
假设图1所示的网络中没有广播风暴，HostA发送一个单播报文给HostB，如果此时HostB临时从网络中移去，那么交换设备上有关HostB的MAC地址表项也将被删除。此时HostA发给HostB的单播报文，将被交换设备S1的端口port1接收，由于S1上没有相应的MAC地址转发表项，该单播报文将被转发到端口port2上，然后交换设备S2的端口port2又收到从对端port2端口发来的单播报文，然后又从port1发出去。同时，交换设备S2的端口port1也会接收HostA发给HostB的单播报文，然后又从port2发出去。如此反复，在两台交换设备上，由于不间断地从端口port1、port2收到主机A发来的单播报文，交换设备会不停地修改自己的MAC地址表项，从而引起了MAC地址表的抖动。如此下去，最终导致MAC地址表项被破坏。

STP基本概念：
一个根桥：
树形的网络结构必须有树根，于是STP引入了根桥（Root Bridge）概念。
对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。
网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备收到该配置BPDU后，如果优先级比自己的配置BPDU高，则非根桥设备会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己STP端口存储的配置BPDU信息，否则会丢弃该配置BPDU。

两种度量：
生成树的生成计算有两大基本度量依据：ID和路径开销。
•ID
ID又分为：BID（Bridge ID）和PID（Port ID）。
◾BID：桥ID
IEEE 802.1D标准中规定BID是由16位的桥优先级（Bridge Priority）与桥MAC地址构成。BID桥优先级占据高16位，其余的低48位是MAC地址。
在STP网络中，桥ID最小的设备会被选举为根桥。
◾PID：端口ID
PID由两部分构成的，高4位是端口优先级，低12位是端口号。
PID只在某些情况下对选择指定端口有作用。

•路径开销
路径开销（Path Cost）是一个端口变量，是STP协议用于选择链路的参考值。STP协议通过计算路径开销，选择较为“强壮”的链路，阻塞多余的链路，将网络修剪成无环路的树形网络结构。
在一个STP网络中，某端口到根桥的路径开销就是所经过的各个桥上的各端口的路径开销累加而成，这个值叫做根路径开销（Root Path Cost）。

三要素选举：
从环形网络拓扑结构到树形结构，总体来说有三个要素：根桥、根端口和指定端口。以下结合图1介绍三要素。

•根桥RB（Root Bridge）
根桥就是网桥ID最小的桥，通过交互配置BPDU协议报文选出最小的BID。
•根端口RP（Root Port）
所谓根端口就是去往根桥路径开销最小的端口，根端口负责向根桥方向转发数据，这个端口的选择标准是依据根路径开销判定。在一台设备上所有使能STP的端口中，根路径开销最小者，就是根端口。很显然，在一个运行STP协议的设备上根端口有且只有一个，根桥上没有根端口。
•指定端口DP（Designated Port）
指定桥与指定端口的描述见下图：

如图2所示，AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2分别表示设备S1、S2、S3的端口。
◾S1通过端口AP1向S2转发配置消息，则S2的指定桥就是S1，指定端口就是S1的端口AP1。
◾与局域网LAN相连的有两台设备：S2和S3，如果S2负责向LAN转发配置消息，则LAN的指定桥就是S2，指定端口就是S2的BP2。

一旦根桥、根端口、指定端口选举成功，则整个树形拓扑建立完毕。在拓扑稳定后，只有根端口和指定端口转发流量，其他的非根非指定端口都处于阻塞（Blocking）状态，它们只接收STP协议报文而不转发用户流量。

四个比较原则：
STP选举有四个比较原则，构成消息优先级向量：{ 根桥ID，根路径开销，发送设备BID，发送端口PID }。
配置BPDU中携带本端口的主要信息如下图所示：

STP网络中的其他设备收到配置BPDU消息后，将比较上表中所述的字段，四个基本比较原则如下：
•最小BID：用来选举根桥。运行STP协议的设备之间根据上表所示根桥ID字段选择最小的BID。
•最小根路径开销：用来在非根桥上选择根端口。在根桥上，每个端口到根桥的根路径开销都是0。
•最小发送者BID：当一台运行STP协议的设备要在两个以上根路径开销相等的端口之中选择根端口时，通过STP协议计算，将选择接收到的配置消息中发送者BID较小的那个端口。如图1所示，假设S2的BID小于S3的BID，如果S4的A、B两个端口接收到的BPDU里面的根路径开销相等，那么端口B将成为根端口。
•最小PID：用于在根路径开销相同的情况下，不阻塞最小PID的端口，而是阻塞PID值较大的端口。如图3所示的情况下PID才起作用，S1的端口A的PID小于端口B的PID，由于两个端口上收到的BPDU中，根路径开销、发送交换设备BID都相同，所以消除环路的依据就只有PID。

五种端口状态：

端口状态迁移机制：

注意：
华为技术有限公司数据通信设备缺省情况处于MSTP模式，当从MSTP模式切换到STP模式，运行STP协议的设备上端口支持的端口状态仍然保持和MSTP支持的端口状态一样，支持的状态仅包括Forwarding、Learning和Discarding，如表4所示。

对于STP，影响端口状态和端口收敛有以下3个参数。

1.Hello Time
2.Forword Delay
3.Max Age

•Hello Time
运行STP协议的设备发送配置消息BPDU的时间间隔，用于设备检测链路是否存在故障。设备每隔Hello Time时间会向周围的设备发送hello报文，以确认链路是否存在故障。
当网络拓扑稳定之后，该计时器的修改只有在根桥修改后才有效。新的根桥会在发出的BPDU报文中填充适当的字段以向其他非根桥传递该计时器修改的信息。但当拓扑变化之后，TCN BPDU的发送不受这个计时器的管理。
•Forward Delay
设备状态迁移的延迟时间。链路故障会引发网络重新进行生成树的计算，生成树的结构将发生相应的变化。不过重新计算得到的新配置消息无法立刻传遍整个网络，如果新选出的根端口和指定端口立刻就开始数据转发的话，可能会造成临时环路。为此，STP采用了一种状态迁移机制，新选出的根端口和指定端口要经过2倍的Forward Delay延时后才能进入转发状态，这个延时保证了新的配置消息传遍整个网络，从而防止了临时环路的产生。
Forward Delay Timer指一个端口处于Listening和Learning状态的各自持续时间，默认是15秒。即Listening状态持续15秒，随后Learning状态再持续15秒。这两个状态下的端口不转发用户流量，这正是STP用于避免临时环路的关键。
•Max Age
端口的BPDU报文老化时间，可在根桥上通过命令人为改动老化时间。
Max Age通过配置BPDU报文的传输，可保证Max Age在整网中一致。运行STP协议的网络中非根桥设备收到配置BPDU报文后，报文中的Message Age和Max Age会进行比较：
◾如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备继续转发配置BPDU报文。
◾如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化。该非根桥设备直接丢弃该配置BPDU，可认为网络直径过大，导致根桥连接失败。
如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。否则，Message Age是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。实际实现中，配置BPDU报文经过一个桥，Message Age增加1。

STP报文格式：
在前面的章节中介绍了桥ID、路径开销和端口ID等信息，所有这些信息都是通过BPDU协议报文传输。
•配置BPDU是一种心跳报文，只要端口使能STP，则配置BPDU就会按照Hello Time定时器规定的时间间隔从指定端口发出。
•TCN BPDU是在设备检测到网络拓扑发生变化时才发出。
BPDU报文被封装在以太网数据帧中，目的MAC是组播MAC：01-80-C2-00-00-00，Length/Type字段为MAC数据长度，后面是LLC头，LLC之后是BPDU报文头。以太网数据帧格式如图1所示。

配置BPDU：
通常所说的BPDU报文多数指配置BPDU。
在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，每台设备的指定端口都会周期性的发送配置BPDU。配置BPDU的长度至少要35个字节，包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。只有当发送者的BID或端口的PID两个字段中至少有一个和本桥接收端口不同，BPDU报文才会被处理，否则丢弃。这样避免了处理和本端口信息一致的BPDU报文。
配置BPDU在以下3种情况下会产生：
•只要端口使能STP，则配置BPDU就会按照Hello Time定时器规定的时间间隔从指定端口发出。
•当根端口收到配置BPDU时，如果优先级比自己的配置BPDU高，则会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己STP端口存储的配置BPDU信息并从指定接口向下游发送，否则会丢弃该配置BPDU。
•当指定端口收到比自己差的配置BPDU时，会立刻向下游设备发送自己的BPDU。

配置BPDU报文基本格式如表1所示。

标志字段如图2所示，STP中只使用了其最高位和最低位。

TCN BPDU：
TCN BPDU内容比较简单，只有表1中列出的前3个字段：协议号、版本和类型。类型字段是固定值0x80，长度只有4个字节。
TCN BPDU是指在下游拓扑发生变化时向上游发送拓扑变化通知，直到根节点。TCN BPDU在如下两种情况下会产生：
•端口状态变为Forwarding状态。
•指定端口收到TCN BPDU，复制TCN BPDU并发往根桥。

STP拓扑计算：
网络中所有的设备使能STP协议后，每一台设备都认为自己是根桥。此时，每台设备仅仅收发配置BPDU，而不转发用户流量，所有的端口都处于Listening状态。所有设备通过交换配置BPDU后，进行选举工作，选出根桥、根端口和指定端口。

BPDU报文的交互过程：
如图1所示，用{}标注的四元组表示了由根桥ID（图中以S1_MAC和S2_MAC代表两台设备的BID）、累计根路径开销、发送者BID、发送端口PID构成的有序组。配置BPDU会按照Hello Timer规定的时间间隔来发送。

STP算法实现的基本过程：
1.初始状态
由于每个桥都认为自己是根桥，所以在每个端口所发出的BPDU中，根桥字段都是用各自的BID，Root Path Cost字段是累计的到根桥的开销，发送者BID是自己的BID，端口PID是发送该BPDU端口的端口ID。
2.选择根桥
网络初始化时，网络中所有的STP设备都认为自己是“根桥”，根桥ID为自身的设备ID。通过交换配置消息，设备之间比较根桥ID，网络中根桥ID最小的设备被选为根桥。
3.选择根端口和指定端口
根端口和指定端口的选择过程如表1所示。

STP算法实现举例：
一旦根桥、根端口和指定端口选举成功，整个树形拓扑就建立完毕了。下面结合例子说明STP算法实现的具体过程。

如图2所示，DeviceA、DeviceB和DeviceC的优先级分别为0、1和2，DeviceA与DeviceB之间、DeviceA与DeviceC之间以及DeviceB与DeviceC之间链路的路径开销分别为5、10和4。
1.各设备的初始状态
各设备的初始状态如表3所示

2.各设备的比较过程及结果
各设备的比较过程及结果如表4所示。
注意：表4配置消息中各项的具体含义为：{根桥ID，累计根路径开销，发送者BID，发送端口PID}。

拓扑稳定后，根桥仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU报文，其他设备收到该配置BPDU后，如果优先级比自己的配置BPDU高，则非根桥设备会根据收到的配置BPDU中携带的信息更新自己STP端口存储的配置BPDU信息，否则会丢弃该配置BPDU。

STP拓扑变化
STP拓扑变化处理过程如图3所示。

1.在网络拓扑发生变化后，下游设备会不间断地向上游设备发送TCN BPDU报文。
2.上游设备收到下游设备发来的TCN BPDU报文后，只有指定端口处理TCN BPDU报文。其它端口也有可能收到TCN BPDU报文，但不会处理。
3.上游设备会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给下游设备，告知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
4.上游设备复制一份TCN BPDU报文，向根桥方向发送。
5.重复步骤1、2、3、4，直到根桥收到TCN BPDU报文。
6.根桥把配置BPDU报文中的Flags的TC位置1后发送，通知下游设备直接删除桥MAC地址表项。
注意：
•TCN BPDU报文主要用来向上游设备乃至根桥通知拓扑变化。
•置位的TCA标记的配置BPDU报文主要是上游设备用来告知下游设备已经知道拓扑变化，通知下游设备停止发送TCN BPDU报文。
•置位的TC标记的配置BPDU报文主要是上游设备用来告知下游设备拓扑发生变化，请下游设备直接删除桥MAC地址表项，从而达到快速收敛的目的。

STP与RSTP对比：
STP的不足之处
STP协议虽然能够解决环路问题，但是由于网络拓扑收敛慢，影响了用户通信质量。如果网络中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，这是用户无法忍受的。

STP的不足之处如下：
•STP没有细致区分端口状态和端口角色，不利于初学者学习及部署。
网络协议的优劣往往取决于协议是否对各种情况加以细致区分。
◾从用户角度来讲，Listening、Learning和Blocking状态并没有区别，都同样不转发用户流量。
◾从使用和配置角度来讲，端口之间最本质的区别并不在于端口状态，而是在于端口扮演的角色。
根端口和指定端口可以都处于Listening状态，也可能都处于Forwarding状态。
•STP算法是被动的算法，依赖定时器等待的方式判断拓扑变化，收敛速度慢。
•STP算法要求在稳定的拓扑中，根桥主动发出配置BPDU报文，而其他设备进行处理，传遍整个STP网络。
这也是导致拓扑收敛慢的主要原因之一。

RSTP对STP的改进：
根据STP的不足，RSTP删除了3种端口状态，新增加了2种端口角色，并且把端口属性充分的按照状态和角色解耦；此外，RSTP还增加了相应的一些增强特性和保护措施，实现网络的稳定和快速收敛。
1.通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解及部署。

如图1所示，RSTP的端口角色共有4种：根端口、指定端口、Alternate端口和Backup端口。
根端口和指定端口的作用同STP协议中定义，Alternate端口和Backup端口的描述如下：
◾从配置BPDU报文发送角度来看：
◾Alternate端口就是由于学习到其它网桥发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。
◾Backup端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口。

◾从用户流量角度来看：
◾Alternate端口提供了从指定桥到根的另一条可切换路径，作为根端口的备份端口。
◾Backup端口作为指定端口的备份，提供了另一条从根桥到相应网段的备份通路。
给一个RSTP域内所有端口分配角色的过程就是整个拓扑收敛的过程。

2.端口状态的重新划分
RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为3种。根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:
◾如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么端口状态就是Discarding状态。
◾如果不转发用户流量但是学习MAC地址，那么端口状态就是Learning状态。
◾如果既转发用户流量又学习MAC地址，那么端口状态就是Forwarding状态。
如表1所示，新的端口状态与STP规定的端口状态比较。端口状态和端口角色是没有必然联系的，表1显示了各种端口角色能够具有的端口状态。

3.配置BPDU格式的改变，充分利用了STP协议报文中的Flag字段，明确了端口角色。
在配置BPDU报文的格式上，除了保证和STP格式基本一致之外，RSTP作了一些小变化：
◾Type字段，配置BPDU类型不再是0而是2，所以运行STP的设备收到RSTP的配置BPDU时会丢弃。
◾Flags字段，使用了原来保留的中间6位，这样改变的配置BPDU叫做RST BPDU，如图2所示。

4.配置BPDU的处理发生变化
◾拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式
拓扑稳定后，根桥按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU。其他非根桥设备在收到上游设备发送过来的配置BPDU后，才会触发发出配置BPDU，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。
◾更短的BPDU超时计时
如果一个端口在超时时间（超时时间＝Hello Time × 3 × Timer Factor）内没有收到上游设备发送过来的配置BPDU，那么该设备认为与此邻居之间的协商失败。而不像STP那样需要先等待一个Max Age。
◾处理次等BPDU
当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时，该端口会将自身存储的RST BPDU与收到的RST BPDU进行比较。
如果该端口存储的RST BPDU的优先级高于收到的RST BPDU，那么该端口会直接丢弃收到的RST BPDU，立即回应自身存储的RST BPDU。当上游设备收到下游设备回应的RST BPDU后，上游设备会根据收到的RST BPDU报文中相应的字段立即更新自己存储的RST BPDU。
由此，RSTP处理次等BPDU报文不再依赖于任何定时器通过超时解决拓扑收敛，从而加快了拓扑收敛。

5.快速收敛
◾Proposal/Agreement机制
当一个端口被选举成为指定端口之后，在STP中，该端口至少要等待一个Forward Delay（Learning）时间才会迁移到Forwarding状态。而在RSTP中，此端口会先进入Discarding状态，再通过Proposal/Agreement机制快速进入Forward状态。这种机制必须在点到点全双工链路上使用。
◾根端口快速切换机制
如果网络中一个根端口失效，那么网络中最优的Alternate端口将成为根端口，进入Forwarding状态。因为通过这个Alternate端口连接的网段上必然有个指定端口可以通往根桥。
这种产生新的根端口的过程会引发拓扑变化，详细描述请见RSTP技术细节中的RSTP拓扑变化处理。
◾边缘端口的引入
在RSTP里面，如果某一个指定端口位于整个网络的边缘，即不再与其他交换设备连接，而是直接与终端设备直连，这种端口叫做边缘端口。
边缘端口不接收处理配置BPDU，不参与RSTP运算，可以由Disable直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用。但是一旦边缘端口收到配置BPDU，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。

6.保护功能
RSTP提供的保护功能如表2所示。

RSTP技术细节
Proposal/Agreement机制，其目的是使一个指定端口尽快进入Forwarding状态。如图1所示，根桥S1和S2之间新添加了一条链路。在当前状态下，S2的另外几个端口p2是Alternate端口，p3是指定端口且处于Forwarding状态，p4是边缘端口。

新链路连接成功后，P/A机制协商过程如下：1.p0和p1两个端口马上都先成为指定端口，发送RST BPDU。
2.S2的p1口收到更优的RST BPDU，马上意识到自己将成为根端口，而不是指定端口，停止发送RST BPDU。
3.S1的p0进入Discarding状态，于是发送的RST BPDU中把proposal置1。
4.S2收到根桥发送来的携带proposal的RST BPDU，开始将自己的所有端口进入sync变量置位。
5.p2已经阻塞，状态不变；p4是边缘端口，不参与运算；所以只需要阻塞非边缘指定端口p3。
6.各端口的synced变量置位后，p2、p3进入Discarding状态，p1进入Forwarding状态并向S1返回Agreement位置位的回应RST BPDU。
7.当S1判断出这是对刚刚发出的Proposal的回应，于是端口p0马上进入Forwarding状态。

下游设备继续执行P/A协商过程。
事实上对于STP，指定端口的选择可以很快完成，主要的速度瓶颈在于：为了避免环路，必须等待足够长的时间，使全网的端口状态全部确定，也就是说必须要等待至少一个Forward Delay所有端口才能进行转发。而RSTP的主要目的就是消除这个瓶颈，通过阻塞自己的非根端口来保证不会出现环路。而使用P/A机制加快了上游端口转到Forwarding状态的速度。
注意：
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，指定端口的选择就需要等待两个Forward Delay，协商过程与STP一样。

RSTP拓扑变化处理：
在RSTP中检测拓扑是否发生变化只有一个标准：一个非边缘端口迁移到Forwarding状态。
一旦检测到拓扑发生变化，将进行如下处理：
•为本交换设备的所有非边缘指定端口启动一个TC While Timer，该计时器值是Hello Time的两倍。
在这个时间内，清空所有端口上学习到的MAC地址。
同时，由非边缘端口向外发送RST BPDU，其中TC置位。一旦TC While Timer超时，则停止发送RST BPDU。
•其他交换设备接收到RST BPDU后，清空所有端口学习到MAC地址，除了收到RST BPDU的端口。然后也为自己所有的非边缘指定端口和根端口启动TC While Timer，重复上述过程。
如此，网络中就会产生RST BPDU的泛洪。

RSTP与STP的互操作：
RSTP可以和STP互操作，但是此时会丧失快速收敛等RSTP优势。
当一个网段里既有运行STP的交换设备又有运行RSTP的交换设备，STP交换设备会忽略RSTP BPDU。运行RSTP的交换设备在某端口上接收到运行STP的交换设备发出的配置BPDU，在两个Hello Time时间之后，便把自己的端口转换到STP工作模式，发送配置BPDU，从而实现了互操作。
在华为技术有限公司的数据通信设备上可以配置运行STP的交换设备被撤离网络后，运行RSTP的交换设备可迁移回到RSTP工作模式。