快速生成树协议

介绍

快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，缩写 RSTP）是一种用于构建以太网局域网树形拓扑结构的协议。它是快速生成树协议（STP）的升级版，包含自动调整端口速率、自动发现网络拓扑结构、部分端口可提供冗余等特性。

原理

RSTP的主要原理是在网络中通过选举根桥和指定端口，建立一棵生成树。生成树保证了每个网段只有一条可用路径，避免了循环，并保证了数据包的正确传递。在树上进行的端口调整操作被限制在最短的停机时间内，保证网络的高可用性。

实现

RSTP协议的实现过程，一般需要完成以下几个步骤：

1. 选举根桥
2. 发现网络拓扑
3. 选举指定端口
4. 更新端口状态

在选举根桥时，需要所有的交换机作为候选节点进行竞选，选举方式是比较优先级和MAC地址。选举出来的根桥节点将拥有整个网络中最高的优先级，负责生成整个网络的拓扑结构。

通过发现网络拓扑，可以确定每个交换机连接到哪些端口，并建立一张整个网络的拓扑图。在此基础上，根据指定端口的定义规则，选出每个交换机的指定端口，用于传递数据包。

在选举指定端口后，需要将指定端口上的STP状态配置为指定端口，标志着该端口为整个局域网中的最短路径。同时，每个交换机还需要更新端口状态，将非指定端口设置为阻塞状态，保证生成树拓扑的正确性。

最终，交换机之间的状态同步是通过BPDU消息进行的，每个交换机不断地发送BPDU消息和收到其它交换机的BPDU消息，从而保证整个网络的稳定性和可靠性。

代码片段

# python代码实现快速生成树协议
from queue import PriorityQueue

class Switch:
    def __init__(self, id, mac, priority):
        self.id = id
        self.mac = mac
        self.priority = priority
        
        self.root_port = None
        self.designated_ports = []
        self.non_designated_ports = []
        
    def __lt__(self, other):
        if self.priority == other.priority:
            return int(self.mac.replace(":", ""), 16) < int(other.mac.replace(":", ""), 16)
        else:
            return self.priority < other.priority


class RSTP:
    def __init__(self, switches):
        self.switches = switches
        self.root = None
        
    def node_status(self):
        for switch in self.switches:
            print("Switch_ID: ", switch.id)
            print("MAC Address: ", switch.mac)
            print("Priority: ", switch.priority)
            print("Root Port: ", switch.root_port)
            print("Designated Ports: ", switch.designated_ports)
            print("Non-Designated Ports: ", switch.non_designated_ports)
            print()

以上代码为使用python语言实现的快速生成树协议，包括Switch类和RSTP类。其中，Switch类表示网络中的交换机节点，包括id、mac地址、优先级等信息。RSTP类表示整个网络拓扑结构，包括每个交换机节点的状态信息和更新操作。在代码开始处还引入了优先队列的结构，用于在选举根桥时进行比较。