A. STP、RSTP
為了提高網路可靠性，避免單點故障而導致網路中斷，常常需要在網路中部署冗餘鏈路或冗餘設備，但是部署了冗餘鏈路或冗餘設備的網路，也會從無環的樹型網路結構變為環形網路結構，環形網路結構會帶來新的問題：
1、廣播風暴導致網路不可用
因為交換機收到廣播幀，會將廣播幀從接收埠外的所有介面轉發出去；
廣播幀就會在環形網路中無限循環轉發，隨著廣播幀的增加，最終導致整個網路的資源被耗盡，網路癱瘓不可用；
2、MAC地址表震盪導致MAC地址表被破壞
即使是單播報文，也有可能導致交換機的MAC地址表項混亂，破壞交換機的MAC地址表；
因為交換機接收到未知單播幀後，也會向除接收埠外的所有介面轉發；
未知單播幀就會在環形網路中無限循環轉發，同一交換機不斷的從不同的介面學到未知單播幀，交換機就會不停的修改MAC地址表，導致MAC地址表震盪，破壞MAC地址；
STP根據IEEE 802.1D標准建立，用於在區域網中消除二層環路的問題；
運行STP協議的設備通過彼此交互信息發現網路中的環路，並有選擇地對某些埠進行阻塞，最終實現將環路網路結構修剪成無環路的樹型網路結構，從而防止報文在環形網路中不斷循環，避免設備由於重復接收相同的報文造成處理能力下降。
STP僅在網路中存在冗餘鏈路或者存在環形網路拓撲結構時才需要使用；
使用STP技術，其實更多是抱著以防萬一的心態，怕網路中存在這樣的物理封閉環路；
因為STP技術在保證正常使用冗餘鏈路備份的同時，又能確保不會出現二層通信環路；
一個根橋、兩個度量、三個要素、四個原則、五個埠狀態
一個根橋：
樹型的網路拓撲結構必須有一個樹根，就像一棵樹只有一個樹根一樣，對於一個運行STP協議的網路，根橋在全網中只有一個，就是網路中具有最小橋ID的交換機；
網路中除根橋外的其它交換機成為非根橋；
網路收斂後，根橋會按照一定的時間間隔向外發送配置BPDU，非根橋僅對該報文進行轉發，傳達拓撲變化記錄，保證拓撲的穩定；
兩個度量：
在STP計算中要確定兩個方面，一是哪台交換機作為根橋，二是非根橋的哪些埠收發數據，哪些埠該被阻塞，以便最終形成無環路的樹型網路拓撲結構；
STP計算依據的就是ID和路徑開銷這兩個度量；
1、ID
ID包括BID橋ID和PID埠ID兩種；
BID Bridge ID一共64位，高16位為Bridge Priority橋優先順序，低48位為橋背板MAC地址；
BID決定了哪台交換機成為網路中的根橋，BID最小的交換機被選舉為根橋；
從橋優先順序欄位和橋MAC地址欄位所處位置可以看出，橋優先順序越小，橋ID越小，橋優先順序相同，取橋MAC地址小的作為根橋；
橋優先順序數值范圍0 - 61440，數值越小越優先；
PID Port ID一共16位，高4位是埠優先順序，低12位是埠號；
在確定根埠、指定埠的過程中，如果根路徑開銷、發送者橋ID均相同，發送者PID小的埠成為根埠或指定埠；
埠優先順序數值范圍0 - 255，數值越小越優先；
2、路徑開銷
路徑開銷是一個埠參數，由具體埠的鏈路速率決定，是STP協議用於選擇鏈路的參考值；
對於聚合鏈路，鏈路速率是聚合組中所有狀態位UP的成員口的速率之和；
STP協議通過計算各埠的路徑開銷，選擇較為強壯的鏈路，阻塞多餘的鏈路，將網路修剪成無環路的樹型網路結構；
根路徑開銷是某埠到根橋累計的路徑開銷，就是所經過的各個橋上的各埠的路徑開銷累加值；
根橋上所有埠的根路徑開銷，以及同交換機上不同埠間的路徑開銷值均為零；
某介面的根路徑開銷 = 根埠接收配置BPDU攜帶的根路徑開銷 + 根埠的路徑開銷
三個選舉要素
由環形網路拓撲結構修剪為樹型結構，需要使用STP中的三個選舉要素，即根橋、根埠和指定埠；
根橋 就是STP網路中BID橋ID最小的橋，通過交互配置BPDU報文選出最小的BID作為根橋；
根埠 非根橋上接收最優配置BPDU的埠，即離根橋最近的埠；
最優配置BPDU根據BPDU優先順序確定；
在一個運行STP協議的設備上，根埠有且只有一個，根橋上沒有根埠；
指定埠 就是向一個網段上發送最優配置BPDU的埠；
一旦根橋、根埠、指定埠選舉成功，整個樹型網路拓撲結構就建立完成了；
拓撲穩定後，只有根埠、指定埠轉發流量，其餘埠處於阻塞狀態；
四個比較原則
STP計算依據的是各個埠發送配置BPDU報文攜帶的4個欄位：
1、根橋ID 每個STP網路只生成一棵樹，一棵樹只有一個樹根；
2、根路徑開銷 發送該配置BPDU的埠到根橋的累計路徑開銷；
3、發送者橋ID 發送該配置BPDU的橋ID；
4、發送者埠ID 發送該配置BPDU的埠ID；
BPDU優先順序按照上述順序依次比較這四個欄位確定，四個欄位都是數值越小越優先；
需要注意的是，當非根橋從多個埠收到多個不同的配置BPDU時，根路徑開銷的比較是接收配置BPDU攜帶的根路徑開銷值加上接收埠路徑開銷值進行比較；
五個埠狀態
運行STP協議的設備，有以下5個埠狀態：
1、disabled 禁用狀態
2、blocking 可以收發BPDU
該狀態下正在確定根橋、根埠、指定埠；
3、listening 可以收發BPDU
在埠被選舉為根埠或指定埠後，進入到該狀態，是一種過渡狀態；
4、learning 可以收發BPDU、學習MAC地址表項
經過一個轉發延時後進入該狀態，需要再經過一個轉發延時後才能進入forwarding狀態，也是一種過渡狀態；
5、forwarding 可以收發BPDU、學習MAC地址表項、轉發用戶流量
只有根埠、指定埠才能進入轉發狀態；
新選出的根埠、指定埠要經過兩倍的轉發延時後，才能進入轉發狀態，確保新的配置BPDU傳遍整個網路，可以防止臨時環路的產生；
STP的3個定時器
1、hello time hello time定時器 預設2s
設備會每隔hello time時間向周圍的設備發送配置BPDU，以確認鏈路是否存在故障；
網路拓撲穩定之後，只有根橋每隔hello time時間從指定埠發送配置BPDU；
非根橋從根埠接收到配置BPDU之後，才會從指定埠發送配置BPDU；
根橋上的hello time時間被修改後，會在下一次發出的配置BPDU報文中更新hello time這個欄位，來向非根橋傳遞hello time定時器信息；
當網路拓撲發生變化之後，TCN BPDU的發送不受這個定時器的管理；
2、forward delay 轉發延時 預設15s
鏈路故障會引發網路重新進行生成樹的計算，生成樹的結構將發生改變，但是重新計算得到的新配置消息不可能立即傳遍整個網路，如果此時新選出的根埠和指定埠就立即開始數據轉發的話，很可能會造成臨時的二層環路；
因此，STP採用了一種狀態遷移機制，新選出的根埠和指定埠要經過兩倍的forward delay延時後才能進入轉發狀態，這個延時保證了新的配置消息傳遍整個網路，從而防止產生臨時的二層環路；
轉發延時是狀態遷移的延遲時間，預設值15s，即listening狀態持續15s，隨後進入learning狀態再持續15s；
3、max age 最大生成時間 預設20s
運行STP協議的網路中，非根橋設備收到配置BPDU報文後，會對報文中的Message Age消息生存時間和Max Age最大生存時間進行比較，如果Message Age小於等於Max Age，非根橋設備就繼續轉發配置BPDU報文；
如果Message Age大於Max Age，則該配置BPDU報文將被老化，該非根橋設備直接丟棄該配置BPDU，可認為網路直徑過大，導致根橋連接失敗；
當配置BPDU從根橋發出時，報文中的Message Age值為0，配置BPDU報文每經過一個交換機，Message Age增加1；
STP BPDU報文
STP協議採用的是BPDU Bridge Protocol Data Unit 橋協議數據單元類型報文，也稱為配置消息，STP就是通過在設備直接傳遞BPDU來確定最終修剪完成的樹型網路拓撲結構；
STP BPDU報文被封裝在乙太網數據幀中，此時目的MAC地址是組播MAC地址：01-80-C2-00-00-00，在LLC頭部中IEEE為STP保留的DSAP和SSAP值均為0x42，Control為0x03；
STP BPDU分為兩類，配置BPDU和TCN BPDU
1、Configuration BPDU 配置BPDU 用於生成樹計算與維護
配置BPDU是一種心跳報文，只要埠使能STP協議，設備就會按照hello time定時器的時間間隔從指定埠發送配置BPDU；
在初始化過程中，每個交換機都會主動發送配置BPDU，但在網路拓撲穩定以後，只有根橋主動從指定埠發送配置BPDU；
非根橋從根埠收到配置BPDU後才觸發從指定埠發送自己的配置BPDU；
配置BPDU在以下3中情況下會產生：
1）根橋每隔hello time時間周期性從指定埠發送配置BPDU；
2）非根橋從根埠收到配置BPDU後，觸發從指定埠發送自己的配置BPDU；
3）當指定埠收到次優配置BPDU時，會立刻從該指定埠發送自己的配置BPDU；
配置BPDU中的欄位：
protocol identifier協議ID：2位元組，總是為0；
protocol version協議版本：1位元組，總是為0；
message type消息類型：1位元組，0x00為配置BPDU，0x80為TCN BPDU
flags標志：1位元組，最低位TC Topology Change標志位，最高位TCA Topology Change Acknowledgment標志位；
Root Identifier根橋ID：8位元組，2位元組橋優先順序，6位元組橋MAC；
Root Path Cost根路徑開銷：4位元組，發送該BPDU的埠到根橋的累計路徑開銷；
Bridge Identifier橋ID：8位元組，發送該BPDU的橋ID，2位元組橋優先順序，6位元組橋ID；
Port Identifier埠ID：2位元組，發送該BPDU的埠ID，高4位埠優先順序，低12位埠號；
Message Age消息生存時間：2位元組，根橋發送的配置BPDU中該欄位為0，每經過一個交換機加1，小於等於Max Age的配置BPDU才會被轉發，否則被丟棄；
Max Age最大生存時間：2位元組，配置BPDU的生存時間超過Max Age就會失效，預設20s；
Hello Time：2位元組，根橋每隔hello time周期性發送配置BPDU，預設2s；
Forward Delay轉發延時：2位元組，listening和learning各自持續的時間，防止臨時的二層環路，預設15s；
2、Topology Change Notificaition BPDU TCP BPDU 用於下游設備通知上游設備網路拓撲變化，直到根橋
TCN BPDU是在設備檢測到網路拓撲發生變化時才發出的；
TCN BPDU在如下兩種情況下會產生：
1）存在指定埠的設備上，埠狀態變為forwarding；
2）從指定埠收到TCN BPDU後向根橋復制TCN BPDU；
TCN BPDU中的欄位：
protocol identifier協議ID：2位元組，總是為0；
protocol version協議版本：1位元組，總是為0；
message type消息類型：1位元組，0x00為配置BPDU，0x80為TCN BPDU；
STP的不足
STP協議雖然解決了二層環路問題，但是由於網路拓撲收斂速度慢，會影響用戶通信質量；
Blocking到Forwarding需要經過兩個轉發延時間隔，另外配置BPDU超時需要20s；
如果網路中的拓撲結構頻繁變化，網路也會隨之頻繁失去連通性，從而導致用戶通信頻繁中斷；
1）STP協議採用的是被動演算法，依賴定時器等待的方式確定拓撲，如轉發延時，所以收斂速度慢；
2）STP網路拓撲穩定後，只有根橋主動發送配置BPDU，非根橋只能被動轉發，也導致收斂速度慢；
3）沒有細致區分埠狀態和埠角色；
STP是最原始的生成樹協議，它的主要不足是網路拓撲收斂速度慢；
RSTP是在STP基礎上改進的生成樹協議版本，提高了網路拓撲收斂速度；
IEEE802.1w定義的RSTP保留了STP的大部分演算法和計時器，只在一些細節上做了改進，但這些改進相當關鍵，極大的提升了STP性能，能滿足低延時、高可靠性的網路要求；
RSTP對STP的改進主要體現在埠角色、埠狀態、BPDU的變化和P/A收斂機制四個方面：
1、新增三種埠角色
RSTP在STP中根埠、指定埠的基礎上，對其它埠進行了細分；
1）Alternate替代埠
作為根埠的備份埠，根埠故障後，替代埠就會無延時地進入轉發狀態；
2）Backup備份埠
作為指定埠的備份埠，指定埠故障後，備份埠就會無延時地進入轉發狀態；
3）Edge邊緣埠
用於連接主機，不參與生成樹計算，不收發BPDU，能夠直接進入forwarding狀態；
如果收到BPDU報文就會失去邊緣埠屬性，開始收發報文進行STP生成樹計算；
2、重新劃分埠狀態
RSTP把STP中的Disabled、Blocking、Listening三種埠狀態用Discarding狀態替代，即：
1）Discarding 收發BPDU
2）Learning 收發BPDU、學習MAC地址
3）Forwarding 收發BPDU、學習MAC地址，轉發用戶流量
3、BPDU的變化
RSTP協議與STP協議一樣在交換機間使用BPDU交互信息，但是RSTP只有配置BPDU，即RST BPDU，沒有TCN BPDU；
RSTP在BPDU方面的改變主要體現在BPDU格式、拓撲變化BPDU的使用和配置BPDU處理方式的改變三個方面：
1）BPDU格式上的改變
Protocol Version欄位：RST BPDU是2，不再為0，運行STP的設備收到RST BPDU會丟棄；
BPDU Flag欄位：最高位TCA和最低位TC保持不變，RST BPDU使用了STP配置BPDU中Flag欄位保留的中間6位，增加了埠狀態、埠角色和PA機制三個功能的標志；
PA機制：Agreement位和Proposal位用於RSTP的點到點鏈路的PA機制；
埠狀態：Forwarding位和Learning位用於表示發送RST BPDU的埠的RSTP埠狀態；
埠角色：占兩個比特，00表示發送RST BPDU的埠的埠角色未知；
01表示發送RST BPDU的埠的RSTP埠角色為Alternate替代埠或Backup備份埠；
10表示發送RST BPDU的埠的RSTP埠角色為根埠；
11表示發送RST BPDU的埠的RSTP埠角色為指定埠；
2）拓撲變化BPDU的使用
在RSTP中不再需要從根埠依次向上發送TCN BPDU，直至根橋；
RSTP直接發送TC置1的RST BPDU，接收的交換機直接清空MAC地址表；
交換機清空MAC地址表不再需要等待根橋發送的TC置1的配置BPDU，提高了收斂速度；
3）配置BPDU處理方式的改變
配置BPDU處理方式的改變主要體現在配置BPDU的發送方式、超時時間和處理次優BPDU三個方面：
配置BPDU的發送方式：
拓撲穩定後，STP中只有根橋按照hello time時間間隔發送配置BPDU，非根交換機需要等待從根埠收到配置BPDU，才會從指定埠發送自己的配置BPDU，這樣導致STP計算復雜和緩慢；
RSTP中所有交換機都按照hello time時間間隔周期性發送配置BPDU，無需等待根橋發出的配置BPDU；
配置BPDU的超時時間：
STP中需要等待Max Age 20s最大生存時間後，配置BPDU失效才會認為上游鄰居故障；
RSTP中如果連續三個hello time時間間隔沒有收到RST BPDU，就認為上游鄰居故障；
處理次優BPDU：
STP中只對指定埠收到的次優配置BPDU，立即發送自己更優的配置BPDU；
對於根埠收到的次優配置BPDU，不會做同樣處理，而是等待Max Age最大生存時間超時，才會進行BPDU協商；
RSTP埠收到次優BPDU都會立即發送自身更優的RST BPDU，無需等待20sMax Age最大生存時間超時時間；
RSTP處理次優BPDU不再像STP那樣依賴於定時器通過超時完成拓撲收斂，從而加快了拓撲收斂；
4、P/A收斂機制
STP中確定一個埠為指定埠後，埠從Listening到Learning，Learning到Forwarding，要經過兩倍的轉發延時時間才能進入Forwarding狀態，這種保守的設計可以防止臨時的二層環路，但是收斂速度慢；
RSTP的提議確認機制，是為了讓指定埠盡快進入Forwarding狀態，而不必等待轉發延遲；
P/A機制只能在點到點鏈路上使用，即埠所在的乙太網對端只有一台設備，否則要從Learning到Forwarding要等待一個轉發延時時間；
1）當一個指定埠處於Discarding或learning狀態時，會向下游設備發送Proposal位置1的RST BPDU，請求快速切換到Forwarding狀態；
2）下游設備根埠收到後，會讓除根埠除外的所有非邊緣埠進入Discarding狀態，然後從根埠向上游設備發送Agreement位置1的RST BPDU，同意上游設備指定埠進入Forwarding狀態；
3）上游設備收到後，指定埠直接進入Forwarding狀態；
4）下游設備通過同樣的方式恢復指定埠的轉發；
5、RSTP保護功能
1）BPDU保護
邊緣埠在收到BPDU以後埠狀態將變為非邊緣埠，此時就會造成生成樹的重新計算，如果攻擊者偽造RST BPDU惡意攻擊交換設備，就會引起網路震盪；
啟動了BPDU保護功能後，如果邊緣埠收到RST BPDU，邊緣埠將被error-down，但是邊緣埠屬性不變，同時通知網管系統被錯誤down掉的邊緣埠只能由網路管理員手動恢復；
也可以配置埠自動恢復功能，並設置延遲時間，使被錯誤down掉的邊緣埠可自動恢復；
2）Root保護
由於維護人員的錯誤配置或網路中的惡意攻擊，根橋收到優先順序更高的RST BPDU會失去根橋的地位，重新計算生成樹，並且由於拓撲結構變化，可能造成高速流量遷移到低速鏈路，引起網路擁塞；
對於啟動Root保護功能的指定埠，埠角色只能保持為指定埠，一旦啟用Root保護功能的指定埠收到優先順序更高的RST BPDU，埠將進入Discarding狀態，不再轉發報文；
在經過一段時間（通常為兩倍的Forward Delay），如果埠一直沒有收到高優先順序的RST BPDU，埠自動恢復到正常的Forwarding狀態；
3）環路保護
當出現鏈路擁塞或者單向鏈路故障時，根埠和Alternate替代埠會被老化，根埠老化會導致交換機重新選擇根埠，Alternate替代埠老化將遷移到forwarding狀態，這樣會產生環路；
在啟動了環路保護功能後，如果根埠或Alternate埠長時間收不到來自上游的RST BPDU，則向網管發出通知信息，根埠進入Discarding狀態，直到根埠收到RST BPDU，埠狀態才恢復正常到forwarding狀態，而阻塞埠則會一直保持在阻塞狀態不轉發報文，從而不會在網路中形成環路；
4）防TC - BPDU報文攻擊保護
交換設備在接收到TC - BPDU報文後，會執行MAC地址表和ARP表的刪除操作，如果頻繁操作則會對CPU的沖擊很大；
啟用防TC -BPDU報文攻擊功能後，可配置單位時間內交換機可以處理TC-BPDU報文的次數；
如果單位時間內交換設備在收到TC-BPDU報文數量大於配置的閥值，那麼設備只會處理閥值指定的次數；對於其它超出閥值的TC-BPDU，定時器到期後交換機只對其統一處理一次；這樣可以避免頻繁地刪除MAC地址表和ARP表，達到保護設備的作用；
RSTP與STP的互操作：
RSTP可以和STP互操作，但是此時會喪失RSTP快速收斂特性；
當一個網段既有運行STP的交換網路，又有運行RSTP的交換設備時，STP設備會忽略RST BPDU，而運行RSTP設備的埠接收到STP的配置BPDU時，會在兩個Hello time時間之後將自己的埠轉換到STP工作模式，發送STP 配置BPDU，這樣就實現了互操作；