HCIP-01 RSTP原理与配置

目录
  • 快速生成树协议概述
    • STP回顾与STP不足
      • 回顾：STP的工作原理
      • 回顾：STP的计算四步骤
      • 回顾：STP的端口状态迁移
      • STP对计时器的依赖
      • STP重收敛过程慢
      • STP拓扑变更机制
    • RSTP概述
  • RSTP对STP的改进
    • 改进点1：端口角色
    • 改进点2：端口状态
    • 改进点3：配置BPDU - RST BPDU
    • 改进点4：配置BPDU的处理
      • 拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式
      • 更短的BPDU超时时间
      • 处理次优BPDU
    • 改进点5：快速收敛机制
      • 根端口快速切换
      • 指定端口快速切换
      • 边缘端口 (Edge Port)
      • Proposal/Agreement机制
    • 改进点6：拓扑变更机制
  • RSTP保护功能
    • BPDU保护
    • 根保护
    • 环路保护
    • 防TC-BPDU攻击
  • RSTP的工作过程
    • RSTP拓扑收敛过程
  • RSTP的基本配置
    • RSTP的保护功能配置
    • 案例：RSTP的基础配置

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，但是这也带来了网络环路的问题。网络环路会引发广播风暴和MAC地址表震荡等问题，导致用户通信质量差，甚至通信中断。为了解决交换网络中的环路问题，IEEE提出了基于802.1D标准的STP（SpanningTree Protocol，生成树协议）。
随着局域网规模的不断增长，STP拓扑收敛速度慢的问题逐渐凸显，因此，IEEE在2001年发布了802.1W标准，定义了RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议），RSTP在STP的基础上进行了改进，可实现网络拓扑的快速收敛。

快速生成树协议概述

STP回顾与STP不足

回顾：STP的工作原理

STP的配置BPDU
STP通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机(或根桥),以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中,每个交换机都主动发送配置BPDU.在网络拓扑稳定以后,只有根桥周期性发送配置BPDU,其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后,才会发送自己的配置BPDU。
配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。

回顾：STP的计算四步骤

主要通过比较4个参数进行角色选举:
根桥ID、根路径开销、网桥ID和端口ID。

  1. 选举根桥(Root Bridge)
    在一个交换网络中选举一个根桥。
  2. 选举根端口(Root Port)
    在每个非根桥上选举一个根端口。
  3. 选举指定端口(Designated Port)
    为每个网段选举一个指定端口。
  4. 阻塞非指定端口
    阻塞交换机上所有剩余的非根、非指定端口。

回顾：STP的端口状态迁移

  1. 端口初始化或者使能，进入Blocking状态。
  2. 端口被选为根端口或者指定端口，进入Listening状态。
  3. 端口的Forward Delay时间到，进入Learning状态；再
    经过一个Forward Delay，进入Forwarding状态。
  4. 端口不再是根端口、指定端口，进入Blocking状态。
  5. 端口被禁用或者链路失效。

STP的不足
STP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：
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。
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。
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，而其他设备再进行处理，最终传遍整个STP
网络。

STP对计时器的依赖

STP采用计时器防止临时环路，当STP选举出端口角色后，即便角色为指定端口和根端口，仍然需要等待两个Forward Delay时间（30s）才能进入转发。
在运行STP的环境下，终端或服务器接入后，由于端口需要 从 Disabled 状态依次切换到 Blocking 、 Listening 、Learning及Forwarding状态，此时主机A在接入后，需要等待两个Forward Delay时间才能访问网络服务。

STP重收敛过程慢

直连故障：被阻塞的端口会从Blocking状态，依次切换到Listening及Learning状态，最终进入Forwarding状态。直连链路故障，端口状态转换，延时30s后进入Forwarding状态。

非直连故障
由于被阻塞端口上不再收到更优的BPDU，因此20s后端口开始从Blocking状态依次切换到Listening 、Learning 及Forwarding状态。
非直连故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay时间。

STP拓扑变更机制

STP的拓扑变更机制，需要先将拓扑变化信息传递给根桥，再由根桥向下游泛洪拓扑变化信息。

RSTP概述

IEEE 802.1W中定义的RSTP可以视为STP的改进版本，RSTP在许多方面对STP进行了优化，它的收敛速度更快，而且能够兼容STP。
RSTP对STP的改进：
通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解及部署；
端口状态的重新划分；
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；
配置BPDU的处理发生变化；
快速收敛；
增加保护功能。
RSTP对STP的改进
RSTP保护功能
RSTP的工作过程
RSTP的基本配置

RSTP在园区网络中的应用位置
二层网络（接入层）

RSTP对STP的改进

改进点1：端口角色

通过端口角色的增补，简化了生成树协议的理解与部署。
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，它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端口就是由于学习到自己发送的配置BPDU报文而阻塞的端口，它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。

改进点2：端口状态

RSTP的状态规范缩减为3种，根据端口是否转发用户流量和学习MAC地址来划分:
Discarding状态：不转发用户流量也不学习MAC地址；
Learning状态：不转发用户流量但是学习MAC地址；
Forwarding状：既转发用户流量又学习MAC地址。

改进点3：配置BPDU - RST BPDU

RSTP的配置BPDU充分利用了STP报文中的Flag字段，明确了端口角色。
除了保证和STP格式基本一致之外，RSTP作了如下变化：
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。
Flag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。

改进点4：配置BPDU的处理

拓扑稳定后，配置BPDU报文的发送方式

RSTP对配置BPDU的发送方式进行了改进。
▫ 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 Time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。

STP拓扑稳定后，根桥按照Hello Time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计算复杂且缓慢。

更短的BPDU超时时间

如果一个端口在超时时间（即三个周期，超时时间＝Hello Time×3）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。

STP需要先等待一个Max Age。

处理次优BPDU

当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时，该端口会将自身缓存的RST BPDU与收到的RST B处理次优BPDU
当一个端口收到上游的指定桥发来的RST BPDU报文时，该端口会将自身缓存的RST BPDU与收到的RST BPDU进行比较。
如果该端口缓存的RST BPDU优于收到的RST BPDU，那么该端口会直接丢弃收到的RST BPDU，立即回应自身缓存的RST BPDU，从而加快收敛速度。
STP协议只有指定端口会立即处理次优BPDU。DU进行比较。
如果该端口缓存的RST BPDU优于收到的RST BPDU，那么该端口会直接丢弃收到的RST BPDU，立即回应自身缓存的RST BPDU，从而加快收敛速度。
STP协议只有指定端口会立即处理次优BPDU。

改进点5：快速收敛机制

根端口快速切换

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。

指定端口快速切换

如果网络中一指定端口失效，那么网络中最优的Backup端口将成为指定端口，进入Forwarding状态。因为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。

边缘端口 (Edge Port)

在RSTP里面，如果某一个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，这种端口可以设置为边缘端口。
边缘端口不参与RSTP计算，可以由Discarding直接进入Forwarding状态。
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。

Proposal/Agreement机制

简称P/A机制。
RSTP通过P/A机制加快了上游端口进入Forwarding状态的速度。
在RSTP中，当一个端口被选举成为指定端口之后,会先进入Discarding状态，再通过P/A机制快速进入Forwarding状态。

在STP中，该端口至少要等待一个Forward Delay（Learning）时间才会进入到Forwarding状态。

P/A机制
根桥SW1和SW2之间新添加了一条链路。
在当前状态下，SW2的下游端口分别是Alternate端口、
指定端口（处于Forwarding状态）和边缘端口。

SW1和SW2之间的两个端口都先成为指定端口，发送RST BPDU。

SW2与SW1互联的端口收到更优的RST BPDU后，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。
SW1的指定端口进入Discarding状态，发送Proposal位置位的RST BPSU。

SW2收到根桥发送来的Proposal位置位的的RST BPDU，开始将自己的所有端口进入同步状态。
各端口同步后， 下游端口（ 除边缘端口） 均进入Discarding状态，上游根端口进入Forwarding状态并向SW1返回Agreement位置位的回应RST BPDU。

SW1收到的Agreement位置位的RST BPDU是对刚刚自己发出的 Proposal 的回应 ， 于是指定端口马上进入Forwarding状态。

下游设备继续执行P/A协商过程。

改进点6：拓扑变更机制

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。
拓扑变更机制
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和根端口启动一个TCWhile 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，由非边缘指定端口和根端口向外发送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（除了收到RST BPDU的端口和边缘端口）学习到MAC地址，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保护功能

BPDU保护

BPDU保护
正常情况下，边缘端口不会收到RST BPDU。如果有人伪造RST BPDU恶意攻击交换设备，当边缘端口接收到RST BPDU时，交换设备会自动将边缘端设置为非边缘端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。
交换设备上启动了BPDU保护功能后，如果边缘端口收到RST BPDU，边缘端口将被error-down，但是边缘端口属性不变，同时通知网管系统。

根保护

根保护（Root保护）
对于启用根保护功能的指定端口，其端口角色只能保持为指定端口。
一旦启用根保护功能的指定端口收到优先级更高的RST BPDU时，端口将进入Discarding状态，不再转发报文.经过一段时间（通常为两倍的
Forward Delay），如果端口一直没有再收到优先级较高的RST BPDU，端口会自动恢复到正常的Forwarding状态。
根保护功能确保了根桥的角色不会因为一些网络问题而改变。

环路保护

环路保护
在启动了环路保护功能后 ， 如 果 根端口 或Alternate端口长时间收不到来自上游设备的BPDU报文时，则向网管发出通知信息（此时根端口会进入Discarding状态，角色切换为指定端口），而Alternate端口则会一直保持在Discarding状态（角色也会切换为指定端口），不转发报文，从而不会在网络中形成环路。
直到链路不再拥塞或单向链路故障恢复，端口重新收到BPDU报文进行协商，并恢复到链路拥塞或者单向链路故障前的角色和状态。

防TC-BPDU攻击

防TC-BPDU攻击
启用防TC-BPDU报文攻击功能后，在单位时间内，交换设备处理TC BPDU报文的次数可配置。
如果在单位时间内，交换设备在收到TC BPDU报文数量大于配置的阈值，那么设备只会处理阈值指定的次数。
对于其他超出阈值的TC BPDU报文，定时器到期后设备只对其统一处理一次。这样可以避免频繁的删除MAC地址表项，从而达到保护设备的目的。

RSTP的工作过程

RSTP拓扑收敛过程

  1. 每一台交换机启动RSTP后，都认为自己是“根桥”，并且发送RST BPDU。
    所有端口都为指定端口，处于Discarding状态。

  1. 上游链路的设备互联端口通过P/A机制，快速进入转发状态。
    SW2收到更优的RST BPDU后，经比较认为SW1才是当前根桥，此时SW2的端口将成为根端口，而不是指定端口，停止发送RST BPDU。
    SW1的端口进入Discarding状态，发送Proposal位置位的RST BPDU。SW2收到后阻塞除边缘端口以外的所有其他端口（该过程称为同步过程）。
    SW2的各端口同步后，根端口立即进入Forwarding状态，并向SW1返回Agreement位置位的RST BPDU。SW1收到该报文后,会让指定端口立即进入Forwarding状态。

  1. 下游链路的设备互联端口会进行新一轮的P/A协商。
    SW2的下游端口设置为指定端口，持续发送Proposal位置位的RST BPDU。
    SW3的下游端口收到该BPDU后，发现不是本设备收到的最优BPDU，则会忽略，不会发送Agreement位置位的RST BPDU。
    SW2的下游端口一直收不到Agreement位置位的回应报文，等待2倍的Forward Delay后，进入转发状态。

RSTP的基本配置

  1. 配置生成树工作模式
    [Huawei] stp mode { stp | rstp | mstp }
    交换机支持STP、RSTP和MSTP三种生成树工作模式。默认情况工作在MSTP模式。
  2. (可选)配置当前设备为根桥
    [Huawei] stp root primary
    缺省情况下,交换机不作为任何生成树的根桥。配置后该设备优先级数值自动为0,并且不能更改设备优先级。
  3. (可选)配置当前设备为备份根桥
    [Huawei] stp root Secondary
    缺省情况下,交换设备不作为任何生成树的备份根桥。配置后该设备优先级数值为4096,并且不能更改设备优先级。
  4. （可选）配置交换机的STP优先级
    取值范围是0～61440，步长为4096。缺省情况下，交换机的优先级取值是32768。
    [Huawei] stp pathcost-standard { dot1d-1998 | dot1t | legacy }
  5. （可选）配置接口路径开销
    配置接口路径开销计算方法。缺省情况下，路径开销值的计算方法为IEEE 802.1t（dot1t）标准方法。
    同一网络内所有交换机的接口路径开销应使用相同的计算方法。
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp cost cost
    设置当前接口的路径开销值。
  6. （可选）配置接口优先级
    整数形式，取值范围是0～240，步长为16。缺省情况下，交换机接口的优先级取值是128。
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp priority priority
  7. 启用STP/RSTP
    使能交换机的STP/RSTP功能。缺省情况下，设备的STP/RSTP功能处于启用状态。
    [Huawei] stp enable
  8. 配置当前接口为边缘端口
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp edged-port enable
    缺省情况下，交换设备的所有端口都是非边缘端口。

RSTP的保护功能配置

  1. 配置BPDU保护功能
    [Huawei] stp bpdu-protection
    配置交换设备边缘端口的BPDU保护功能。缺省情况下,交换设备的BPDU保护功能处于禁用状态。
    2.配置根保护功能
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp root-protection
    配置交换设备的根保护功能。缺省情况下,端口的根保护功能处于去使能状态。当端口的角色是指定端口时,配置的
    根保护功能才生效。配置了根保护的端口,不可以配置环路保护。
  2. 配置环路保护功能
    [Huawei-GigabitEthernet0/0/1] stp loop-protection
    配置交换设备根端口或Alternate端口的环路保护功能。缺省情况下,端口的环路保护功能处于关闭状态。
  3. 配置TC保护功能
    [Huawei] stp tc-protection interval interval-value
    配置设备处理阈值指定数量的拓扑变化报文所需的时间。缺省情况下，设备处理最大数量的拓扑变化报文所需的时间
    是Hello Time。
    [Huawei] stp tc-protection threshold threshold
    配置交换设备在收到TC类型BPDU报文后，单位时间内，处理TC类型BPDU报文并立即刷新转发表项的阈值。省情况下，
    设备在指定时间内处理拓扑变化报文的最大数量是1。

案例：RSTP的基础配置

在上述三台交换机上部署RSTP，以便消除网络中的二层环路。
通过配置实现：
将SW1指定为根桥，SW2为备份根桥。
与PC相连的端口不参与RSTP计算，将其设置为边缘端口。
配置根保护和BPDU保护功能，实现对设备或链路的保护。

SW1开启RSTP功能:

[SW1] stp mode rstp
[SW1] stp enable
[SW1] stp root primary

SW2开启RSTP功能:

[SW2] stp mode rstp
[SW2] stp enable
[SW2] stp root secondary

SW3开启RSTP功能:

[SW3] stp mode rstp
[SW3] stp enable

SW3开启边缘端口:
[SW3-Ethernet0/0/1] stp edged-port enable
SW1开启根保护功能:

[SW1-GigabitEthernet0/0/1] stp root-protection
[SW1-GigabitEthernet0/0/2] stp root-protection

SW3开启BPDU保护功能:
[SW3] stp bpdu-protection

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