21、STP（IEEE 802.D）作用和工作原理，与RSTP（802.1w）的区别

生成树出现的原因：在三层网络架构中通常会采用冗余机制以实现故障切换的能力，在这种机制下可能会导致第二层出现桥接环路。为了避免网络环路的形成并防止广播帧与数据帧之间的重复复制，在配置Spanning Tree Protocol（STP）时会通过逻辑上的手段对其中一个接口进行阻塞处理使其仅负责流量接收而不参与流量发送过程从而消除潜在的网络环路风险。

---

注：Cisco使用extend system id来识别VLAN号，实现PVST。

protocol id标识特定生成树的ID。

version：软件版本号。

message type：消息分类。

flags：配置标志位。

route id：以太网桥ID。

cost of path：计算路径总延迟时所依据的标准数值。
带宽越大开销越小，则单接口累计开销越高。
在相同桥ID情况下比较MAC地址大小。
端口id指示发送端口ID。
消息生命周期评估时间戳根据交换机算法确定。
最大有效时长设置为20秒。
间隔5秒触发一次重传操作。
被转发出去的时间延迟（自发送时间起计算）最大15秒。

---

STP（802.1d） ：在整个网络中建立一棵树，使数据传输只有一条路径。选出四种角色：

Root Bridge：采用BID策略选择路径成本最小者；
Root Port：非Root Bridge通过非Root端口连接至Root端口，在单链路架构中仅允许单个设备接入；
选举方法：

1. 首先考虑BPDU入项cost值较小值优先；
2. 然后比较BID选择较小值优先；
3. 最后考虑PID选择较大值优先；
   Assigned Port：指定接口指向特定目的设备的专用连接点，在单链路架构中仅允许单个设备接入；
   选举方法：
4. BPDU出项COST值较小者优先；
5. BID较小者优先；
6. PID较大者优先；
   Non-assigned Port (Blocking Port)：所有角色选举完成后剩余未被选中的接口标记为阻塞接口，在此状态下该接口将被逻辑隔离并仅接收流量而不进行转发。

接口状态跳转：

1. disconnected

2. Blocking state; 在此状态下无法接收数据包 nor 发送数据包 nor BPDU; 20-second wait time (max age)

3. Listening operation; 在此期间会收集 BPDU information 并执行 election 策略; 15s (forward delay)

4. Learning operation; 将会获取 interface 的转发 MAC address 并记录下来; 15s (forward delay)

5. Forwarding capability; 可以执行数据包及 BPDU 的转发操作

6. Disabled state; 此二层端口将被禁用,既不参与生成树协议,也不会发送数据帧

注：选举端口角色时都是在端口上比；

一个无限大的拓扑图，选完根网桥最长花费30s；

端口的状态选举最长15s

生成树一运行，所有MAC表老化清空收敛新的MAC表，最长时间15s;

所以802.1D协议从线路断开到收敛完成，存在直连检测30s15s+15s=30s；不存在直连检测50s（20s+15s+15s=50s）

三类BPDU：

1、配置BPDU ：拓扑收敛完后，仅根网桥周期2s发送；在没有根网桥时，所有设备仅发送BPDU；选举根网桥、发布拓扑信息、周期保活链路。

2、TCN---拓扑变更消息 ：不包含任何具体信息，也不会导致网络重新收敛。当一台交换机阻塞端口链路被断开，那么标记位中的第七位置1，标识拓扑已经改变，该BPDU发送到根网桥出；根网桥使用标记位第七位置0，来表示确认；若没有收到ack，那么周期2s发送TCN；根网桥确认后，将使用BPDU告诉所有的非跟网桥，刷新CAM表；默认cam表的保存周期为300s。

3、次优BPDU ：非根网桥上的根端口断开，接收不到根网桥的BPDU了，同时本地断开的也不是阻塞端口；那么本地定义自己是根网桥，发送BPDU，由于该BPDU是次于根网桥的，故称为次优BPDU。

总结 ：非跟网桥的阻塞端口被断开，同时依然可以与根网桥沟通，那么发送TCN，不包含拓扑信息，不会使网络重新收敛，只是让大家刷新cam表；非根网桥断开了根端口后，若不能和根网桥沟通，发送次优BPDU，包含本地拓扑信息，也是配置BPDU，但不是根网桥的。

缺点：

一个VLAN构成一棵树；
配置时间较长, 接口状态切换需时50秒；
网络内的所有接口均参与生成树的构建, 包括pc端口；
交换机发生拓扑变化时, 则仅在收到根节点通知后才向每个非桥接端口发送相关指令;
（当各个设备hello时间不一致时, 以root设备为主）

---

RSTP（802.1d）：

该协议作为802.1d的一种扩展，在网络性能上表现更为卓越；

在选择端口角色之前就已经配置好的主接口，在根端口故障时会立即切换至备用主接口；

预先配置好备用连接到指定设备上的特定物理端口，在其所属线路发生故障时能够迅速投入运行；

一旦某条线路出现故障断开，则能够显著缩短节点间的路径选择时间；同时被阻塞的设备可立即接收并存储该节点发送的关键路径数据包；

因此，在网络结构发生变化后无需额外的时间等待收敛完成；

RSTP协议包含三种类型的物理连接：

• 快速生成树协议中的主干型连接主要用于直接连接两个设备。
• 共享型连接允许单个物理端口连接多个PC和 hub 设备。
• 边界型连接则完全不参与生成树算法计算过程。

RSTP（802.1w）比STP（802.1d）快在 ：

（1）取消了阻塞端口20shold time时间，收敛更快；

（2）RSTP根变了收敛30s，非本设备线路坏需要15s，本交换机线路切换2s左右就够

（3）集成了多种加速器

（4）使用多种标记位（P/A机制 ），对网络的变化更敏感

（5）TCN拓扑变更消息不必再经过根网桥，可以由更新源直接向全树发送。