交换机笔记（四）

上一篇结尾列了 802.1D STP 的三宗罪：慢、只有一棵树、被动等计时器。这篇记录它的两个后继者：RSTP（802.1w）解决“慢”，MSTP（802.1s）解决“只有一棵树”。

一、RSTP 解决了什么

RSTP（Rapid STP）2001 年以 802.1w 发布，随后被收编进 802.1D-2004。它的选举规则——比 BID、算 RPC、选根端口和指定端口——和 802.1D 完全一致，改的是收敛方式：理想情况下秒级甚至亚秒完成切换，而不是 30~50 秒。

二、端口角色与状态的变化

1. 状态从五种精简到三种

802.1D 的 Disabled、Blocking、Listening 三个状态都不转发数据也不学 MAC，RSTP 把它们合并成一个 Discarding：

2. 阻塞端口有了明确的分工

802.1D 里被阻塞的端口只有“等着”一个身份，RSTP 把它们正名为两种备份角色：

• Alternate Port（预备端口）：根端口的备份。它从别的交换机那里收到了更优的 BPDU，说明这条路能到根桥但不是当前最优，一旦根端口故障，它可以立刻顶上。
• Backup Port（备份端口）：指定端口的备份。它收到的是本机其他端口发出的更优 BPDU——典型场景是一台交换机的两个端口接到同一台 Hub 上。

过时结论：Backup Port 依赖“两个端口在同一个共享网段上”这个前提，也就是下接 Hub 的场景。今天的链路全是点对点全双工，Backup Port 在实际网络中几乎绝迹，教材里保留它主要是为了把角色体系讲完整。

此外 RSTP 新增 边缘端口（Edge Port）：直连终端的端口，管理员手工指定（华为命令 stp edged-port enable）。边缘端口不参与生成树计算，链路 up 后直接进入转发状态——接 PC 的端口没必要等 30 秒。注意边缘端口一旦收到 BPDU 会自动变回普通端口，防止有人私接交换机造成环路；配合 BPDU 保护功能还可以在收到 BPDU 时直接关闭端口。

三、RSTP 为什么快

1. 不再被动等根桥的 BPDU

802.1D 里只有根桥发配置 BPDU，其他桥接力转发，Max Age 20 秒收不到才认为故障。RSTP 改成每台桥都自主每 2 秒（Hello Time）发送 BPDU，连续 3 个 Hello（6 秒）没收到对端 BPDU 就判定邻居失效。发现故障的时间从 20 秒缩到 6 秒。

2. P/A 握手机制

这是 RSTP 的核心改进。802.1D 里端口从 Discarding 到 Forwarding 要固定等 30 秒，RSTP 用一次显式握手代替干等：

1. 新链路 up，两端端口先处于 Discarding，互发 BPDU；
2. 选举中胜出的指定端口发出的 BPDU 带 Proposal 位，向对方提议“我要转发了”；
3. 对端收到后执行同步（Sync）：把本机所有非边缘指定端口临时阻塞，确保自己不会产生环，然后回一个带 Agreement 位的 BPDU；
4. 提议方收到 Agreement，端口立即进入转发状态，不等任何计时器；
5. 对方那些被临时阻塞的端口再各自向更下游发起自己的 P/A 握手，像水波一样扩散到全网。

整张网一次收敛就是一串握手，每一跳只花一次报文往返。前提条件：链路是点对点全双工。半双工共享链路上无法安全地做 P/A，只能退回 802.1D 的计时器模式。

3. 拓扑变化处理重做了

802.1D 的 TCN → TCA → 根桥发 TC → 全网缩短老化的流程被整个换掉：

• 只有“非边缘端口进入转发状态“才算拓扑变化，链路 down 不再单独上报；
• 发现变化的桥直接从所有指定端口和根端口泛洪 TC 置位的 BPDU，持续 2 个 Hello 时间（4 秒）；
• 收到 TC 的桥立即清空从这些端口学到的 MAC 表项，而不是把老化时间缩到 15 秒干等。

没有了 TCN BPDU 这种报文，也不再需要根桥中转确认，MAC 表的刷新从十几秒变成即刻。

4. 与 STP 的兼容

RSTP 端口收到 802.1D 的 BPDU（Version 0）后，会把该端口降级为 STP 模式运行，收敛回到计时器时代。混合组网时旧设备会成为整网的速度瓶颈。

四、MSTP：从一棵树到多棵树

1. 单生成树的痛点

802.1D 和 RSTP 都是单生成树：所有 VLAN 共用一棵拓扑。结果是被阻塞的链路对所有 VLAN 都阻塞，冗余带宽完全闲置，还可能出现次优路径。思科的私有方案 PVST+ 给每个 VLAN 各算一棵树，能实现按 VLAN 的负载分担，但 VLAN 一多，每台交换机要维护成百上千棵树，CPU 和 BPDU 开销都吃不消。

MSTP（802.1s-2002，后并入 802.1Q-2005）取折中：把 VLAN 分组映射到少数几棵实例上，一棵实例管一批 VLAN。比如 VLAN 1019 走实例 1（根在左边），VLAN 2029 走实例 2（根在右边），两条上行链路都在转发，负载分担达成，而实例数量通常只有个位数。

2. MST 域（Region）

多台交换机组成一个 MST 域的前提是三样配置完全一致：

1. 域名（Region Name）；
2. 修订级别（Revision Level）；
3. VLAN 与实例的映射表。

交换机把这三样算出一个摘要（Digest）放进 BPDU，摘要不同就是不同的域。改任何一个映射都要记得同步全网，否则一台设备会悄悄自立门户成单独一个域。

3. IST、MSTI、CST、CIST

实例总数最多 65 个（064，IST 占一个），实例号本身的可配范围是 04094，但每个域最多同时运行 65 棵，部分平台限制更少（思科一些机型只支持 16 棵），实际部署 2~4 棵就够用。

对外，整个 MST 域表现得像一台虚拟桥：域外设备只看到 CIST 计算出的一个整体，域内各实例的细节不会泄漏出去。MSTP 的 BPDU 是 Version 3，用一份 BPDU 携带 IST 加所有 MSTI 的信息（MRecord），不需要每棵实例各发一份。

4. 华为配置示例

[SW] stp mode mstp
[SW] stp region-configuration
[SW-mst-region] region-name RG1
[SW-mst-region] revision-level 1
[SW-mst-region] instance 1 vlan 10 to 19
[SW-mst-region] instance 2 vlan 20 to 29
[SW-mst-region] active region-configuration

active region-configuration 这一步漏掉的话，域配置不生效——又一个经典踩坑点。华为 S 系列交换机默认就运行在 MSTP 模式；思科默认是 PVST+ 或 Rapid PVST+。

五、生成树在今天

生成树并没有被淘汰，但使用范围明显收缩：

• 园区网接入层仍大量使用 RSTP/MSTP，防环兜底。
• 数据中心越来越多地用堆叠、M-LAG 把双上行做成跨设备聚合，逻辑上根本没有环；或者干脆用三层 CLOS 架构（BGP/EVPN），二层域被切得很小，生成树用不上。

过时结论：「二层网络越大越好，一个生成树域管全网」。十多年前“大二层”确实是追求方向，结果是广播域过大、收敛慢、故障影响面不可控。今天的共识是把二层域做小，能路由就不桥接。生成树从“网络的主干技术”退成了“接入层的兜底机制”，这个定位变化本身就值得记录。

六、小结

• RSTP 把状态精简为三种，阻塞端口正名为 Alternate/Backup，新增边缘端口。
• 变快的原因：每桥自主发 BPDU、6 秒判定故障、P/A 握手代替 30 秒干等、拓扑变化即刻清 MAC 表。
• MSTP 把 VLAN 映射到少数实例，按实例选根实现负载分担；域的三要素（域名、修订级别、映射表）必须全网一致。
• 802.1w 和 802.1s 作为独立标准都已并入 802.1Q；Backup Port、大二层等概念已过时，但作为理解协议设计的反例很有价值。