理解和配置RSTP试题分析

第7章理解并实施交换技术任务7.3.9理解：RSTP（快速生成树）

RSTP（RapidSpanningTreeProtocol），快速生成树协议，被IEEE802.1W所定义，它是对传统STP技术（IEEE802.1D）的演进，而不是一种新技术，它在不改变传统生成树算法的选举与计算原则的条件下，能更快地重新计算生成树的速度，而且可以兼容传统生成树802.1D。那么RSTP与传统生成树有哪些区别？它为什么比传统生成树更快？这是需要理解的重点。RSTP与传统生成树在交换机端口状态上的区别因为在传统生成树中，Down（禁用）、Blocking（阻塞）、Listening（侦听）在端口状态转发行为上不存在任何区别，三种状态都无法转发数据，并且都不会学习MAC地址，所以在RSTP的定义中，传统生成树的Down（禁用）、Blocking（阻塞）、Listening（侦听）三种状态被RSTP的Discarding（丢弃）状态所代替，RSTP标准只存在三种端口状态，即Discarding（丢弃）Learning（学习）、Forwarding（转发）。关于RSTP与传统生成树端口状态的区别如表7.9所示：Forwarding（转发）Forwarding（转发）Learning（学习）Learning（学习）Discarding（丢弃）Listening（侦听）Discarding（丢弃）Blocking（阻塞）Discarding（丢弃）Down（禁用）RSTP（802.1W）传统生成树（802.1D）表7.9RSTP与传统生成树端口状态的区别任务7.3.9RSTP的端口角色与传统生成树的端口角色的区别RSTP保留了传统生成树中的“根端口”、“指定端口”、“阻塞端口”的角色，同时RSTP引入了两种新的端口角色，即“替代端口”与“备份端口”。替代端口：指示在某台交换机上，阻塞从其他网桥接收BPDU的根端口，如图7.62所示。如果某台交换机活跃的根端口发生故障，那么该交换机的替代端口将立即成为根端口，如图7.63所示。替代端口的关键价值是接替某台交换机根端口的状态，也是RSTP快速收敛的一个原因。替代端口的核心作用是替代发生故障的根端口。图7.62RSTP的替代端口图7.63交换机S2的替代端口立即转变为根端口任务7.3.9备份端口：阻塞端口所在交换机的共享网段的指定端口接收关于根桥的BPDU，如图7.64所示。如果指定端口发生故障，那么备份端口将成为该交换机的指定端口，如图7.65所示。备份端口的核心作用是替代发生故障的指定端口。图7.64RSTP的备份端口图7.65RSTP的备份端口立即转变为指定端口任务7.3.9RSTP在收敛过程中，快速过渡到转发状态快速过渡到转发状态，是RSTP比传统生成树要快的关键特性，在传统生成树的收敛过程中相关的端口状态只能是被动地等待网络收敛时间（依赖于定时器时间），RSTP可以主动地认，是否可以安全地过渡到转发状态，放弃对定时器的依赖。为了达到这个目的，RSTP定义了识别边缘端口和链路类型的功能。边缘端口：指直接连接到桌面工作站的交换机端口。在正常情况下，这种类型的端口不会在网络中产生桥接环路，因为连接的是计算机，所以边缘端口可以直接快速地过渡到转发状态，跳过监听和学习状态，这样直接加快了RSTP的收敛时间。如果该端口的链路发生改变，边缘端口将不会产生拓扑变更消息，但是，一旦边缘端口接收到BPDU消息（证明连接的已不是计算机，而是有新的网桥接入），那么该端口将立即放弃边缘端口的角色，退回到一个正常的生成树端口。注意：边缘端口需要管理员做配置。链路类型：RSTP的指定端口能够在交换机的边缘端口和点对点（P2P）类型的链路之上，快速地过渡到转发状态，所以识别链路类型对于RSTP的快速收敛是相当重要的。交换机能从端口的双工模式中自动获取链路类型，通常，如果端口工作在全双工模式下，那么该链路为P2P链路；如果端口工作在半双工模式下，那么该链路为共享介质链路，这种情况发生在，交换机的某个端口连接了集线器（Hub）。任务7.3.9如图7.66所示，一般情况下，计算机连接交换机、交换机连接交换机默认应该处于全双工模式下，所以链路类型应该是点对点（P2P）类型；当集线器连接交换机时，因为集线器是半双工设备，所以连接类型应该是共享介质链路。在交换机S1上对如图7.66所示的链路类型的识别，如图7.67所示。图7.66RSTP的边缘端口与链路类型示意图图7.67在交换机上查看链路类型任务7.3.9注意：RSTP的边缘端口需要管理员手工配置，而对于交换机的链路类型能自动识别，当然，也可以通过指令来更改，具体配置如下。在交换机上配置边缘端口：s1(config)#intefastEthernet0/4s1(config-if)#spanning-treeportfast在交换机上改变某个端口的链路状态类型的配置：s1(config)#intefastEthernet0/4s1(config-if)#spanning-treelink-type?point-to-pointConsidertheinterfaceaspoint-to-pointsharedConsidertheinterfaceassharedRSTP与传统802.1D在拓扑变化机制上的区别传统802.1D的生成树在拓扑变化与收敛过程中需要较长时间的延迟，特别是对于“劣质BPDU”的处理是一个很大的问题，而RSTP的拓扑变化机制集成并解决了关于“劣质BPDU”造成的生成树收敛慢的问题。首先理解什么是“劣质BPDU”。任务7.3.9理解什么是“劣质BPDU”在传统802.1D的生成树中，如果收到一个标识自己既是根交换机，又是指定交换机的BPDU就是所谓的“劣质BPDU”，当收到“劣质BPDU”时，说明该交换机的非直连链路出现故障。如图7.68所示，交换机S2连接到根桥S1的链路A发生故障，此时，对于交换机S3而言，这是一个非直连链路故障，那么交换机S2就将丢失与根桥的连接，然后发送BPDU给交换机S3，说明自己是根桥，这就是劣质BPDU消息。但是现在交换机S3知道根桥S1是良好状态，在最大生存时间（默认20秒）到期前，它不会理会交换机S2发来的劣质BPDU消息，这样就浪费了20秒的收敛延时。图7.68关于“劣质BPDU”示意图所以IEEE802.1W组织决定，在RSTP中集成一个BackboneFast机制，当它的端口收到一个“劣质BPDU”消息时，就立即接收它，并代替当前的BPDU存储，不需要等待20秒的延时，这样就加快了RSTP的收敛速度。在如图7.68所示的环境中，交换机S3收到S2发来的BPDU消息后，不会再等待20秒，而是立即处理该BPDU消息，交换机S2也将停止发送自己的BPDU，并认为连接到交换机S3的端口是它新的根端口。任务7.3.9关于启动和证实BackboneFast机制的建议启动BackboneFast机制，需要在二层环路中的每台交换机的全局配置模式下使用spanning-treebackbonefast指令启动，大家可以搭建一个三台交换机成环路的实验环境来取证BackboneFast机制的效果。首先在如图7.68的交换机S3上使用debug指令调试交换机的生成树事件，这样就可以清楚地看到S3端口状态的转移效果，然后在没有启动全部交换机上的BackboneFast机制时，可以试着切断非直连链路，如图7.68的链路A，此时在交换机S3上可以看到如图7.69所示的Debug事件，其中很明显地可以看到劣质BPDU，但是交换机S3并没有理会它，一直持续了相当长一个周期后，才转向侦听、学习和转发状态。图7.69收到劣质BPDU要等待最大生存期才处理任务7.3.9接下来，在环路中的每台交换机上启动BackboneFast机制，再次试着切断非直连链路，如图7.68所示的链路A。此时在交换机S3上可以看到如图7.70所示的Debug事件，其中很明显地可以看到当交换机只接收到一个劣质BPDU时，就开始转状态，而不需要等待20秒的最大生存期到来。图7.70收到劣质BPDP立即处理图7.70收到劣质BPDP立即处理任务7.3.9RSTP对拓扑的检测速度要比传统的802.1D快

在802.1D传统生成树的环境中，一台非根桥的交换机只有在其根端口上收到BPDU时才能生成BPDU，事实上，环路中的各个网桥更像是去转发BPDU，而不是去生成BPDU，环路中BPDU的原始生成者是根桥。而在RSTP中，即便是当前网桥没有从根桥收到BPDU，它也会每隔2秒（一个BPDU的Hello间隔周期），将当前的BPDU消息发送出去。如果在交换机的某个端口上，三个连续的Hello周期后，还没有收到BPDU消息报文，就认为自己已经丢失了到直接邻居的根桥或者指定网桥的连接。这种信息的快速老化，使得对拓扑的检测可以更快，因为只要本地交换机从邻居接收BPDU失败，就确定邻居连接已经丢失，此时的BPDU报文机制起到的是在网桥之间来维持与检测活跃（Keepalive）关系的作用。所以，RSTP对物理链路故障的检测速度比802.1D快很多。任务7.3.9传统802.1D生成树检测拓扑变化的过程在如图7.71所示的网络环境中，产生拓扑变化的点，首先要使用一种可靠的机制通知根桥，当根桥知道网络拓扑发生变化后，它会将BPDU消息报文中的TC（TopologyChange）标记置位，然后将置位TC标记的BPDU扩散到网络中所有交换机上，当网络收到根桥发来的BPDU时（TC被置位的BPDU），它将自身MAC表的生存时间长度减少到转发延迟时间，确保相对较快地刷新旧信息。图7.71传统802.1D生成树检测拓扑变化过程任务7.3.9RSTP生成树检测拓扑变化的过程RSTP放弃了传统802.1D生成树的拓扑变化检测与扩展过程，当一台交换机从邻居收到一个TC被置位的BPDU消息时，接收该BPDU消息的交换机将清除所有从端口上学习到的MAC地址，当然，接收TC被置位的BPDU消息的端口除外，然后一步就将TC扩散到整个网络的交换机上。事实上，就是产生拓扑变化的点完成整个扩散，而不像传统802.1D生成树那样需要根桥来做扩散，RSTP的这种方式比传统生成树要快速很多，仅需要几秒的时间就完成了整个网络变化的扩散，如图7.72所示。图7.72RSTP生成树检测拓扑变化过程任务7.3.9RSTP的BPDU报文与传统802.1D的BPDU的区别RSTP的BPDU报文结构与传统的802.1D的报文结构的区别不太大，但是引入了一些新的变化，如图7.73所示。如果启动了RSTP，那么BPDU的版本字段的取值将是2；然后对标记字段进行了扩展，传统的802.1D生成树标记字段只有两个取值：一个拓扑变化，一个拓扑变化确认。而RSTP在标记字段中引入了7个取值范围，分别是：拓扑变化、建议、转发、学习、端口角色、协商一致、拓扑变化确认。这7个取值范围的具体意义超出了CCNA认证所讨论的范围，所以在这里不做更详细的分解，与之相关的更多信息，请参看CCNP的多层交换部分。关于RSTP的BPDU报文的数据帧取证如图7.74所示，其中端口角色被置位为11，表示该端口为指定端口。图7.73RSTP的BPDU报文结构任务7.3.9关于RSTP的配置关于RSTP根桥、根端口、指定端口等判断原则都与传统生成树一样，所以在RSTP的章节中没有重复地去描述相关原则。这里需要再次强调的是：RSTP是传统生成树802.1D的进化，它在传统生成树的基础上加快了网络环路的检测与收敛速度，不是一种关于生成树的新标准，所以它的配置很简单，只需改变启动生成树的模式就行了。具体配置如下。在思科2950T-24上选择生成树的模式：s1(config)#spanning-treemode?pvstPer-Vlanspanningtreemoderapid-pvstPer-Vlanrapidspanningtreemode注意：思科交换机默认启动的就是PVST+模式的生成树，所以在选择生成树模式时，没有特别列出关于PVST+的选择。上述有两个可选项：一个是pvst模式，如果交换机的干道都配置了ISL协议，那么可以选择PVST；另一个是rapid-pvst模式，这就是快速生成树（RSTP）。

配置交换机S1启动快速生成树（RSTP）：s1(config)#spanning-treemoderapid-pvst任务7.3.10MST