了解快速生成树协议 (802.1w)

简介

本文档介绍有关RSTP添加到之前802.1D标准的增强功能的信息。

背景

802.1D 生成树协议 (STP) 标准的设计初衷是，每次连接都在中断一分钟左右后恢复可视为性能良好。随着LAN环境中第3层交换的出现，网桥现在与路由解决方案展开竞争，在路由解决方案中，开放最短路径优先(OSPF)和增强型内部网关路由协议(EIGRP)等协议能够在更短的时间内提供备用路径。

思科通过Uplink Fast、Backbone Fast和Port Fast等功能增强了原始802.1D规范，以加快桥接网络的收敛时间。缺点是这些机制是专有的并且需要额外配置。

快速生成树协议(RSTP;IEEE 802.1w)可看作802.1D标准的演进，而不是一场革命。802.1D 中的术语基本上保持不变。而且大部分参数也没有变化，因此熟悉 802.1D 的用户可以轻松地快速配置新协议。在大多数情况下，RSTP 的性能比 Cisco 专有扩展的性能要好，而且不需要进行任何额外的配置。802.1w也可以恢复为802.1D，以便与旧网桥进行互操作（基于每个端口）。但这恰恰抛弃了它带来的好处。

新版 802.1D 标准 (IEEE 802.1D-2004) 收敛了 IEEE 802.1t-2001 和 IEEE 802.1w 标准。

Catalyst 交换机对 RSTP 的支持

下表显示了一些Catalyst交换机系列中对RSTP的支持，以及支持该支持所需的最低软件。

Catalyst 平台	带RSTP的MST	RPVST+（亦称 PVRST+）
Catalyst 2900 XL / 3500 XL	不可用。	不可用。
Catalyst 2940	12.1(20)EA2	12.1(20)EA2
Catalyst 2950/2955/3550	12.1(9)	12.1(13)EA1
Catalyst 2970/3750	12.1(14)EA1	12.1(14)EA1
Catalyst 3560	12.1(19)EA1	12.1(19)EA1
Catalyst 3750 Metro	12.1(14)AX	12.1(14)AX
Catalyst 2948G-L3/4908G-L3	不可用。	不可用。
Cisco IOS®)	12.1(12c)EW	12.1(19)EW
Catalyst 6000/6500(Cisco IOS)	12.1(11b)EX、12.1(13)E 和 12.2(14)SX	12.1(13)E
Catalyst 8500	不可用。	不可用。

新的端口状态和端口角色

802.1D在以下五种不同的端口状态下定义：

• 禁用

• 侦听

• 学习

• 阻塞

• 转发

有关端口状态的详细信息，请参阅本文档端口状态部分中的表。

端口的状态为混合状态（无论是阻塞还是转发流量），它在活动拓扑中的作用也是如此（根端口、指定端口等等）。例如，从运行角度看，阻塞状态的端口和监听状态的端口没有任何差异。这两种状态都丢弃帧，并且不能学习 MAC 地址。真正的区别在于生成树为端口分配的角色。可以安全地假设：监听端口为指定端口或根端口，并且正在进入转发状态。然而，在处于转发状态后，无法根据端口状态推断端口是根端口还是指定端口。这显示了该基于状态的术语的失败之处。RSTP 将端口的角色和状态分离，从而解决了此问题。

端口状态

RSTP 中仅保留了三种端口状态，分别对应于三种可能的运行状态。802.1D 中的禁用、阻塞和监听状态在 802.1w 中合并为唯一的丢弃状态。

STP (802.1D) 端口状态	RSTP (802.1w) 端口状态	端口是否包括在活动拓扑中？	端口是否可获知 MAC 地址？
禁用	丢弃	无	无
阻塞	丢弃	无	无
侦听	丢弃	Yes	无
学习	学习	Yes	Yes
转发	转发	Yes	Yes

端口角色

端口角色现在是分配给给定端口的变量。根端口和指定端口的角色仍然保留，而阻塞端口的角色拆分为备份端口和替代端口角色。生成树算法(STA)根据网桥协议数据单元(BPDU)确定端口的角色。为了简化问题，关于BPDU，需要记住的一点是，总是有一种方法可以比较其中的任意两个，然后确定其中哪一个比另一个更有用。这是依据 BPDU 中存储的值，而有时依据接收它们的端口。因此，本部分中的信息阐述了确定端口角色的实用方法。

根端口角色

• 网桥上接收最佳 BPDU 的端口即是根端口。在路径开销方面，这是最接近根网桥的端口。STA 在整个桥接网络（每个 VLAN）中选择一个根网桥。根网桥发送的 BPDU 比任何其他网桥发送的 BPDU 都更有用。根网桥是该网络中唯一没有根端口的网桥。所有其他网桥在至少一个端口上接收 BPDU。

  

指定端口角色

• 如果端口可以在它所连接到的网段上发送最佳 BPDU，则它是指定端口。802.1D 网桥将不同网段（例如以太网段）链接在一起，以创建桥接域。在给定的网段上，只能有一条路径通往根网桥。如果存在两条路径，则网络中存在一个网桥环路。连接到给定网段的所有网桥将监听每个网桥的 BPDU，并且同意将发送最佳 BPDU 的网桥作为网段的指定网桥。网桥上对应的端口是该网段的指定端口。

  

替代端口和备份端口角色

• 这两个端口角色对应于 802.1D 的阻塞状态。阻塞的端口既不是指定端口也不是根端口。阻塞的端口收到的 BPDU 比其在网段上发送的 BPDU 更有用。请记住，端口需要接收BPDU才能保持阻塞状态。为此，RSTP 引入了这两个角色。

• 替代端口从其他网桥接收更有用的 BPDU，并且它是阻塞的端口。如下图所示：

  

• 备份端口从其所在的网桥接收更有用的 BPDU，并且它是阻塞的端口。如下图所示：

  

802.1D 内部已对此进行区分。这实质上是 Cisco UplinkFast 的工作原理。基本原理是替代端口提供通往根网桥的替代路径，因此可以在根端口出现故障时替换它。当然，备份端口可提供到同一网段的冗余连接，但不能保证到根网桥的替代连接。因此，上行链路组将其排除在外。

由此，RSTP 针对与 802.1D 使用相同标准的生成树计算最终拓扑。使用不同网桥和端口优先级的方式没有变化。“阻塞”这一名称用于描述 Cisco 实施中的丢弃状态。CatOS 版本 7.1 及更高版本仍会显示监听和学习状态。这提供的端口信息比IEEE标准要求的多。但是，新功能体现在，协议确定的端口角色与其当前状态之间存在差异。例如，它现在对于同时指定和阻塞的端口有效。虽然这种情况通常发生很短一段时间，但这意味着该端口处于面向指定转发状态的过渡状态。

新的 BPDU 格式

RSTP 引入了少量对 BPDU 格式的更改。802.1D 中仅定义了两个标志，即拓扑变化 (TC) 和 TC 确认 (TCA)。但是，RSTP会使用剩余的六个标志字节位来执行：

• 对产生 BPDU 的端口的角色和状态进行编码

• 处理建议/协议机制

思科BPDU、IEEE BPDU和BPDU图的完整视图

有关更高分辨率的图像，请参阅Cisco BPDU、IEEE BPDU和BPDU图。

注：位0（拓扑更改）是最低有效位。

另一项重要更改是 RSTP BPDU 现在为类型 2，版本 2。这表示传统网桥必须丢弃此新的 BPDU。此属性使802.1w网桥可以轻松检测与其连接的旧网桥。

新的BPDU 处理

每次Hello时发送BPDU

BPDU每次hello时发送一次，不再简单地中继。使用 802.1D 时，仅当非根网桥在根端口上收到 BPDU 时，才会生成 BPDU。网桥对BPDU的中继比它实际生成的更多。802.1w 并非如此。网桥每<hello-time>秒（默认为2秒）发送一次包含其当前信息的BPDU，即使它没有从根网桥收到任何信息。

信息更快过期

在给定端口上，如果连续三次没有收到 Hello（或如果 max_age 过期），则协议信息会立即过期。由于前面所述的协议修改，BPDU 现在可用作网桥之间的保持活动机制。如果网桥连续错过三个 BPDU，则它会认为与其直接相邻根网桥或指定网桥断开连接。这种信息快速过期使得可以进行快速故障检测。如果网桥无法从相邻网桥接收 BPDU，可以肯定与该相邻网桥的连接已断开。这与802.1D相反，后者的问题可能发生在通往根桥的路径上的任何地方。

注意：在物理链路发生故障时，故障检测速度更快。

接受次要 BPDU

此概念是 BackboneFast 引擎的核心部分。IEEE 802.1w委员会在RSTP中引入了类似的机制。当网桥从其指定网桥或根网桥接收次要信息时，它会立即接收并替换以前存储的信息。

由于网桥 C 仍然识别出根网桥处于活动状态并且运行良好，因此立即发送 BPDU 到网桥 B，该 BPDU 中包含有关根网桥的信息。因此，网桥 B 不会发送其自己的 BPDU 并且接受导向网桥 C 的端口作为新的根端口。

快速转换到转发状态

快速转换是 802.1w 中引入的最重要功能。传统 STA 在将端口变成转发状态之前，会被动地等待网络收敛。实现更快的收敛是对保守默认参数（转发延迟和max_age计时器）进行更改的问题，通常会使网络的稳定性受到威胁。新的快速STP能够主动确认端口可以安全转换到转发状态，而无需依赖任何计时器配置。现在，符合 RSTP 的网桥之间存在真正的反馈机制。为了在端口上实现快速收敛，协议依赖于两个新变量：边缘端口和链路类型。

边缘端口

Cisco生成树用户已经知道边缘端口概念，因为它基本上对应于PortFast功能。直接连接到终端站的所有端口无法在网络中形成网桥环路。因此，边缘端口直接转换到转发状态，并且跳过监听和学习阶段。当链路切换时，边缘端口和启用了 Portfast 的端口都不会生成拓扑更改。接收 BPDU 的边缘端口会立即失去边缘端口状态并成为正常的生成树端口。此时，边缘端口状态有一个用户配置的值和一个运行值。Cisco 实施仍保留 PortFast 关键字用于边缘端口配置。这使转换为 RSTP 变得更简单。

链路类型

只有在边缘端口和点对点链路上，RSTP 才能快速转换到转发状态。链路类型会从端口的双工模式自动派生。以全双工模式运行的端口视为点对点端口，而半双工端口默认视为共享端口。此自动链路类型值可由显式配置覆盖。在当今的交换网络中，大多数链路都在全双工模式下运行，RSTP 将这些链路视为点对点链路。这使它们能够快速转换到转发状态。

与802.1D的融合

下图说明了 802.1D 处理添加到桥接网络的新链路的方式：

在此方案中，根网桥和网桥 A 之间添加了一个链路。假设网桥A和根网桥之间已经有间接连接（图中的C - D）。STA阻塞端口并禁用网桥环路。首先，当根网桥和网桥 A 启动时，它们之间的链路上的两个端口会处于监听状态。网桥 A 现在能直接监听根网桥。它会立即在指定端口上向树的分支传播其 BPDU。一旦网桥B和C收到来自网桥A的这个新的上级信息，它们立即将该信息转发到枝叶。几秒钟后，网桥 D 便收到来自根网桥的 BPDU，并立刻阻塞端口 P1。

生成树可以非常高效地计算网络的新拓扑。现在唯一的问题是，只有经过两倍的转发中继时间之后，根网桥和网桥 A 之间的链路才能最终进入转发状态。这意味着流量将中断 30 秒（网络的整个 A、B 和 C 部分被隔离），原因是 8021.D 算法缺乏反馈机制，无法清晰地通告网络将在几秒钟后收敛。

与 802.1w 的收敛

现在，您可以看到 RSTP 处理类似情况的方式。请记住，最终拓扑与 802.1D 计算的拓扑完全一样（即，与以前相同的位置上有一个阻塞的端口）。只是实现此拓扑的步骤发生了变化。

交换机A和根之间的链路上的两个端口一进入就被置于指定阻塞状态。至此，一切情况与纯 802.1D 环境中完全一样。但是，在此阶段，交换机 A 和根网桥之间会发生协商。交换机A收到根的BPDU后，便会阻塞非边缘指定端口。此操作称为同步。完成此操作后，网桥 A 会明确授权根网桥将其端口置于转发状态。下图说明了网络上该过程的结果。交换机 A 和根网桥之间的链路被阻塞，两个网桥可交换 BPDU。

交换机 A 阻塞其非边缘指定端口后，交换机 A 和根网桥之间的链路便进入转发状态，您将遇到以下情况：

仍然不能有环路。现在，网络在交换机A之后阻塞，而不是在交换机A之前阻塞。但是，潜在网桥环路是在不同的位置被切割的。这种切断与根网桥产生的新 BPDU 一起通过交换机 A 沿树向下传递。在此阶段，交换机 A 上新阻塞的端口还会与都启动同步操作的交换机 B 和交换机 C 上与其相邻的端口进行协商，从而快速转换到转发状态。除了指向A的根端口之外，交换机B只有边缘指定端口。因此，它没有要阻塞的端口来授权交换机 A 进入转发状态。同样地，交换机 C 只需阻塞其通向 D 的指定端口。现在可进入下图中显示的状态：

请记住，最终拓扑与 802.1D 示例完全相同，这表示 D 上的端口 P1 最终会进入阻塞状态。这表示在新的 BPDU 沿树向下传递所需的必要时间后，将实现最终网络拓扑。在这种快速收敛中没有涉及计时器。RSTP 唯一引入的新机制是确认交换机可以在其新的根端口上进行发送，以便授权立即转换到转发状态，从而绕过长达两倍转发延迟时间的监听和学习阶段。管理员只需要记住以下几点就可以受益于快速收敛：

• 只有当网桥通过点对点链路（即全双工链路，除非显式端口配置）连接时，网桥之间的这种协商才可能实现。

• 在 802.1D 中端口上启用 Portfast 后，边缘端口更加重要。例如，如果网络管理员未能正确配置交换机B上的边缘端口，则交换机A与进入网络的根之间的链路会影响它们的连接。

建议/协议顺序

当STA选择某个端口作为指定端口时，802.1D仍会等待两次<forward delay>秒（默认情况下为2 x 15），然后才能将其转换为转发状态。在 RSTP 中，此情况与具有指定角色但处于阻塞状态的端口相对应。下图说明了如何逐步实现快速转换。假设在根网桥和交换机 A 之间创建了一条新链路。此链路上的两个端口都置于指定的阻塞状态，直到它们从对等的端口收到 BPDU 为止。

当指定端口处于丢弃或学习状态时（并且只有在这种情况下），它才会在其发送的 BPDU 中设置建议位。这是根网桥的端口 p0 所发生的情况，如上图的步骤 1 所示。由于交换机 A 收到高级信息，它会立即识别出 p1 是新的根端口。然后，交换机 A 开始同步，以确保其所有端口均与此新信息同步。如果端口满足以下标准之一，则端口是同步的：

• 端口处于阻塞状态，意味着稳定拓扑中的丢弃状态。

• 端口是边缘端口。

为了说明同步机制对不同类型端口的影响，假设交换机A上存在替代端口p2、指定转发端口p3和边缘端口p4。请注意p2和p4已经满足其中一个条件。为了保持同步（参见上图的步骤2），交换机A只需阻塞端口p3，并为其分配丢弃状态。既然其所有的端口都保持同步，交换机 A 就可以取消阻塞其新选择的根端口 p1 并发送协议信息以回复根网桥。（请参阅步骤 3。）此消息是建议 BPDU 的副本，其中设置了协议位而非建议位。这可确保端口 p0 确切地知道它接收的协议与哪个建议对应。

p0 收到该协议后，它可立即转换到转发状态。这是上图的步骤4。请注意，同步之后，端口 p3 将继续保持指定的丢弃状态。在步骤 4 中，该端口所处的情况与步骤 1 中端口 p0 所处的情况完全相同。然后，它会开始向其相邻端口提出建议，并且尝试快速转换到转发状态。

• 由于建议协议机制不依赖任何计时器，因此其速度非常快。此握手浪潮会快速传播到网络边缘，并在拓扑发生变化后快速恢复连接。

• 如果指定的丢弃端口在发送建议之后未收到协议，它将缓慢转换到转发状态，并退回到传统的 802.1D 监听学习顺序。如果远程网桥不了解 RSTP BPDU，或者如果远程网桥的端口处于阻塞状态，可能会发生这种情况。

• Cisco 在同步机制中引入了增强功能，允许网桥在进行同步时只将其以前的根端口置于丢弃状态。有关该机制的工作原理的详细信息不属于本文档的讨论范畴。但是，可以安全地假设，该机制在大多数常见再收敛案例中调用。本文档的与 802.1w 的收敛部分中描述的方案非常有效，这是因为只会暂时混淆位于最终阻塞端口的路径上的端口。

UplinkFast

RSTP 中包含的快速转换到转发状态的另一种形式类似于 Cisco 的 UplinkFast 专有生成树扩展。基本上，当网桥丢失其根端口时，它可以将其最佳备用端口直接置于转发模式（新根端口的外观也由RSTP处理）。选择替代端口作为新的根端口会产生拓扑更改。802.1w 拓扑更改机制会清除上游网桥的内容可寻址存储器 (CAM) 表中的相应条目。这就消除了对 UplinkFast 的虚拟多播生成进程的需要。

因为 RSTP 中自带 UplinkFast 机制并会自动启用，因此无需对该机制进行进一步配置。

新的拓扑结构更改机制

当 802.1D 网桥检测到拓扑更改时，它会使用可靠的机制首先通知根网桥。如下图所示：

一旦根网桥知道网络拓扑发生了变化，它就会在其发出的BPDU上设置TC标志，然后中继到网络中的所有网桥。当网桥收到设置了TC标志位的BPDU时，它会将其网桥表老化时间缩短到转发延迟秒数。这可确保相对快速地刷新过期信息。此拓扑更改机制在 RSTP 中进行了很深层次的再造。拓扑更改的检测及其通过网络的传播都在不断演变。

拓扑更改检测

在 RSTP 中，只有进入转发状态的非边缘端口会导致拓扑更改。这意味着连接断开将不再视为拓扑更改，这与 802.1D 正好相反（即，进入阻塞状态的端口不再生成 TC）。当 RSTP 网桥检测到拓扑更改时，会发生以下操作：

• 如有必要，它将为其所有非边缘指定端口和根端口启动 TC While 计时器，计时器的值为 hello-time 值的两倍。

• 它将刷新与所有这些端口关联的 MAC 地址。

注：只要TC While计时器在端口上运行，从该端口发送的BPDU就会设置TC位。当计时器处于活动状态时，根端口上也会发送 BPDU。

拓扑更改传播

当网桥从相邻网桥收到设置了 TC 位的 BPDU 时，会发生以下操作：

• 它将清除其所有端口（接收拓扑更改的端口除外）上识别的 MAC 地址。

• 它启动TC While计时器，并发送在所有指定端口和根端口上设置了TC位的BPDU（RSTP不再使用特定的TCN BPDU，除非传统网桥需要通知）。

这样，TCN 会快速传播到整个网络。TC传播现在是一个单步过程。事实上，拓扑更改的发起方会将此信息泛洪到整个网络，而802.1D则只有根网桥会泛洪此信息。此机制比 802.1D 等效机制更快。无需等待通知根网桥，然后针对整个网络保持拓扑更改状态长达 <max age plus forward delay> 秒钟。

仅在几秒钟或者几倍 hello-time 后，整个网络 (VLAN) 的 CAM 表中的大部分条目都将刷新。此方法会导致更多潜在的临时泛洪，但另一方面它清除了阻止快速恢复连接的潜在过期信息。

与802.1D兼容

RSTP 可以与传统 STP 协议交互操作。但是，务必注意，与传统网桥交互时，802.1w 固有的快速收敛优点将会丧失。

每个端口都维护一个变量，该变量定义可在对应网段上运行的协议。当端口启动时，值为三秒的迁移延迟计时器也将启动。当此计时器运行时，会锁定与端口关联的当前 STP 或 RSTP 模式。迁移延迟过期后，端口会适应与其接收的下一个 BPDU 对应的模式。如果端口由于收到的 BPDU 而更改其运行模式，则迁移延迟会重新启动。这会限制可能的模式更改频率。

例如，假设上图中的网桥A和B都运行RSTP，并且交换机A被指定用于网段。此链路上引入了传统 STP 网桥 C。由于 802.1D 网桥会忽略 RSTP BPDU 并丢弃它们，因此 C 认为网段中没有其他网桥，并开始发送其次要 802.1D 格式的 BPDU。交换机 A 将收到这些 BPDU，并在最多两倍于 hello-time 的秒数之后，只在该端口上将其模式更改为 802.1D。结果，C 现在识别出交换机 A 的 BPDU 并且接受 A 作为该网段的指定网桥。

请注意在这个特殊情况下，如果移除网桥 C，则网桥 A 会在该端口上以 STP 模式运行，即使它可以在 RSTP 模式下更有效地与其唯一的相邻网桥 B 一起工作。这是因为 A 无法识别出网桥 C 已从网段移除。对于这种特殊（少见）情况，需要用户介入，以便手动重新启动端口的协议检测。

当端口处于802.1D兼容模式时，它还可以处理拓扑更改通知(TCN)BPDU以及设置了TC或TCA位的BPDU。

结论

RSTP (IEEE 802.1w) 本身包括大多数针对 802.1D 生成树的 Cisco 专有增强功能，例如 BackboneFast、UplinkFast 和 PortFast。RSTP 可以在正确配置的网络中实现更快的收敛，有时只需几百毫秒。传统802.1D计时器（例如转发延迟和max_age）仅用作备份，如果管理员正确识别并设置了点对点链路和边缘端口，则不需要这些计时器。此外，如果没有与旧网桥的交互，则不需要计时器。

相关信息

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• 了解和配置 Cisco Uplink Fast 功能
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