都知道RSTP是STP的改进版本，你知道RSTP为啥比STP更快吗？
来源：网络技术联盟站
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STP和RSTP都是用于网络中防止环路的协议。它们的目标是在拓扑图中选择出一个冗余路径，形成一棵树，而其余的路径将被阻塞，以确保数据不会在网络中产生环路。
STP： STP是一种经典的协议，旨在确保网络拓扑图中不存在环路。它通过选择树中的根桥和阻塞冗余路径来实现这一目标。
RSTP： RSTP是STP的改进版本，它的目标是更快地收敛网络拓扑，减少端口的阻塞时间，提高网络的可用性。
RSTP 一般比 STP 快，但是你知道为啥吗？本文瑞哥就带大家好好了解一下。
STP的基本工作原理
STP通过以下步骤实现环路防御：
根桥的选举： 每个交换机在启动时都会发送Bridge Protocol Data Units（BPDU）来宣告自己，然后通过比较BPDU中的信息来选举出根桥。
根端口的选举： 每个交换机选择到根桥的最短路径，该路径上的端口成为根端口。
设计ated端口的选举： 每个网络段上都会有一个Designated端口，用于连接到根桥。其余端口都会被阻塞。
在STP中，网络管理员需要进行一些基本的配置，包括指定根桥、手动配置端口优先级等。STP的配置相对较复杂，因为管理员需要对拓扑有深刻的理解，以便进行手动优化。
STP在设计时未考虑到现代网络的安全需求，因此容易受到一些攻击，比如BPDU攻击。攻击者可以发送虚假的BPDU，尝试篡改网络的拓扑信息，导致网络故障或数据包循环。
STP的容错性相对较低，特别是在网络拓扑发生变化时，需要较长时间才能完成收敛，期间可能导致数据包丢失。
RSTP的改进
RSTP引入了一些改进，使其比STP更快，主要包括以下几个方面：
端口状态的转换更迅速： RSTP包括Discarding、Learning、和Forwarding三种端口状态，相比STP的Blocking和Listening状态，RSTP的状态转换更为迅速。
BPDU的优化： RSTP优化了BPDU的格式和处理方式，减少了在网络中传递BPDU的时间。
BPDU是交换机之间用于交换信息的数据单元，它包含有关网络拓扑的信息。RSTP通过减小BPDU的大小、优化BPDU的传输和处理方式，进一步降低了网络收敛的时间。
快速端口： RSTP引入了快速端口的概念，这使得端口可以更快地从Blocking状态转变为Forwarding状态。
快速端口是RSTP中的一个关键概念，它有助于加速端口状态的转换。当一个端口从Blocking状态切换到Forwarding状态时，它可以直接跳过Listening和Learning阶段，直接进入Forwarding状态。这减少了网络收敛的时间，提高了整体性能。
RSTP在配置方面进行了简化。它引入了Auto Edge和Link Type等概念，使得配置变得更为简单。网络管理员可以更轻松地部署RSTP，减少了配置错误的可能性。
RSTP对安全性进行了改进。它引入了BPDU Guard和BPDU Filter等功能，可以有效地防止和检测BPDU攻击。BPDU Guard可以将非法BPDU的端口置为错误禁用状态，防止攻击影响整个网络。
RSTP通过快速端口和状态优化，使得在网络拓扑变化时，可以更快速地适应，减少了数据包丢失的可能性。这提高了网络的容错性，尤其适用于对网络稳定性要求较高的环境。
RSTP如何实现快速转换到转发状态
在RSTP中，实现快速转换的关键是通过消除了端口等待转发延迟计时器，并利用提议标志（Proposal Flag）和协议位（Protocol Version Identifier）来加速状态转换。
RSTP如何实现快速转换到转发状态的步骤：
端口上线： 当RSTP交换机上的端口上线时，它会立即被置于指定的阻塞状态。这是一个等待状态，交换机将等待BPDU到达。
学习到上级BPDU： 当在当前非根端口上学习到上级BPDU时，使用提议标志。提议标志表示此BPDU是用于快速收敛的。
启动同步操作： 当学习到上级BPDU并检测到提议标志时，将启动同步操作。在同步操作中，本地端口被指定为新的根端口，而上游端口被置于指定阻塞状态。此时，非边缘指定端口被置于阻塞状态。
阻塞所有非边缘指定端口： 在同步操作期间，阻塞所有非边缘指定端口。这是为了确保网络不会形成环路。
转发状态授权： 阻塞所有非边缘指定端口后，本地交换机立即授权上游交换机将其端口转变为指定的转发状态。这是通过在正在传输的BPDU中设置协议位来实现的。
生成新的BPDU： 本地交换机生成新的BPDU，赋予其提议标志，并通过本地交换机指定的阻塞端口发送出去。
接收下游交换机的决策： 如果接收到的下游交换机决定新的BPDU更优，则该下游交换机会重复上述过程。否则，网桥之间的端口将在一端被完全阻塞。
边缘端口保持转发状态： 边缘端口将保持转发状态，因为它们不参与BPDU交换，无需等待状态转换。
通过这样的流程，RSTP确保了在网络拓扑发生变化时，非常快速地将端口转变为指定的转发状态，从而加速了网络的收敛过程。这种机制对于保障网络的高可用性和快速应对拓扑变化非常重要。
让我们通过一个简单的拓扑图来说明STP和RSTP的基本工作原理：
Switch A
/ \
Switch B - Switch C
\ /
Switch D
在这个例子中，我们假设所有交换机都启动，并发送BPDU来宣告自己。STP将根据BPDU的信息选举出根桥，根端口和Designated端口。这个过程可能需要较长的时间，尤其是在大型网络中。
由于RSTP的快速端口机制，端口的状态转换更为迅速。当某个链路发生故障时，RSTP可以更快地将其他端口切换为Forwarding状态，从而保证网络快速收敛，减少对数据流的影响。
STP vs RSTP
| 差异点 | STP (生成树协议) | RSTP (快速生成树协议) |
|---|---|---|
| 收敛时间 | STP 在端口状态转换时需要等待计时器完成，收敛时间相对较慢。 | RSTP 可以在不等待计时器完成的情况下将端口转换为转发状态，因此具有更快的收敛时间。通过提议协议进行端口状态协商。 |
| 端口状态 | STP 有五个状态：阻塞、监听、学习、转发和禁用。 | RSTP 只有三个状态：丢弃、学习和转发。阻塞和禁用状态被合并为丢弃状态。 |
| 拓扑变化 | RSTP通过使用 BPDU（桥协议数据单元）或物理链路状态来更快地识别链路故障或恢复，因此对拓扑变化的响应更快。 | STP 相对较慢地响应拓扑变化。RSTP通过BPDU中的拓扑更改通知标志向网络中的每个交换机传递拓扑更改信息。 |
| 端口角色 | STP 有三个端口角色：根、指定和非指定。 | RSTP 有四个端口角色：根、指定、备用和替代。 |
| 向后兼容性 | STP 不能与 RSTP 兼容。 | RSTP 向后兼容 STP，可以与同一网络中的STP交换机进行通信。然而，这可能降低RSTP的性能和优势。 |
| 可扩展性 | RSTP 相对于 STP 更具可扩展性，能够管理更大的网络并实现快速收敛。 | STP 的可扩展性较差，对于大型网络可能导致较长的收敛时间。 |
RSTP为啥比STP快？
RSTP在收敛速度方面取得了显著的进展。相对于STP，RSTP能够更快地将网络拓扑达到一致状态，通常在5-10秒左右。这是通过消除等待计时器完成的需要，以及使用提议协议协商端口状态的方法实现的。这种快速收敛的能力对于减少网络中断时间、提高数据传输的时效性至关重要。
除了更快的收敛速度之外，RSTP还引入了新的端口状态和角色，以更好地满足不同网络环境的需求。在端口状态方面，RSTP只有三种状态：丢弃、学习和转发，相较于STP的五种状态更为简化。这简化了网络的状态转换过程，使其更加高效。
而在端口角色方面，RSTP引入了备用（Alternate）和替代（Backup）两个新的角色，与STP的根、指定和非指定角色相比，更为灵活。这使得RSTP能够更智能地选择路径，提高网络的稳定性和容错性。
由于RSTP在收敛速度、状态转换的简化以及新的端口角色等方面的优势，越来越多的企业选择RSTP作为其网络的环路防御协议。在现代、高要求的企业网络中，业务对网络的依赖性越来越高，因此快速、稳定的网络变得至关重要。
RSTP的向后兼容性也使得网络管理员可以平稳地将其引入到已有的网络环境中，而不必担心与旧版本协议的不兼容性。这为企业提供了更大的灵活性和可扩展性。
RSTP和STP性能差异
RSTP相对于STP在性能上有显著的改进，主要体现在以下几个方面：
更快的收敛速度： RSTP的快速端口机制和优化的BPDU处理使得网络在拓扑发生变化时更快地收敛，降低了数据包丢失的可能性。
更低的阻塞时间： RSTP通过减少端口状态转换的步骤，特别是引入快速端口的概念，大幅度降低了端口在阻塞状态的时间，提高了网络的可用性。
更高的灵活性： RSTP对于网络拓扑的调整更为灵活，更容易适应动态变化，而STP在拓扑发生变化时需要较长的收敛时间。
在大型企业网络中，拓扑结构通常比较复杂，且需要高度可靠性。RSTP的快速收敛特性使得在网络拓扑变化时，整个系统可以更快地适应，降低了服务中断的风险。
对于要求实时传输的应用场景，如视频会议和语音通话，网络的稳定性至关重要。RSTP的快速收敛速度确保在网络发生故障时，系统能够迅速切换到备用路径，避免数据包丢失，提高了实时传输的质量。
在数据中心网络中，对于服务器之间的高速通信和故障恢复的要求很高。RSTP的快速端口和快速收敛特性使得数据中心网络能够更迅速地适应拓扑变化，确保数据中心的高可用性和稳定性。
如何选择选择RSTP或STP？
如果网络稳定性和收敛速度至关重要，建议选择RSTP。特别是对于大型企业网络、数据中心网络或对实时传输要求较高的场景，RSTP的快速收敛和改进的安全性能将更为重要。
如果网络规模相对较小，拓扑变化较少，并且对稳定性要求较低，STP可能是一个更简单和稳定的选择。在这种情况下，STP的成熟性和相对简单的配置可能更适合网络的需求。
大型企业网络： RSTP适用于大型网络，快速收敛和灵活性是关键因素。 数据中心网络： RSTP对于需要快速容错和高可用性的数据中心网络是一个理想选择。 小型网络或对稳定性要求较低的场景： STP可能更为适用，因为它较为成熟、简单，适合较小规模的网络。
总结
RSTP作为STP的改进版本，以其快速收敛、简化配置、安全性和容错性的优势在现代网络中得到了广泛应用。STP在某些小型网络或对稳定性要求不高的场景中仍然可能是一个简单而稳定的选择。
在网络设计和管理中，选择适当的环路防御协议对于确保网络的高可用性和性能至关重要。网络管理员需要综合考虑网络规模、拓扑结构、应用场景以及对稳定性和收敛速度的要求，以做出明智的决策。
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