STP 生成树协议

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参考博客链接：

RSTP协议

STP 协议

MSTP

思维导图：

1. 环路问题

1.1 广播风暴

产生原因：根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。

本例中，主机A向外发送了一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB接收到此帧后，将其转发到SWA和SWC，SWA和SWC也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SWB，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。

1.2 MAC地址表翻转

产生原因：交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。

• 主机A向外发送一个单播帧，假设此单播帧的目的MAC地址在网络中所有交换机的MAC地址表中都暂时不存在。SWB收到此数据帧之后，在MAC地址表中生成一个MAC地址表项，00-05-06-07-08-AA，对应端口为G0/0/3，并将其从G0/0/1和G0/0/2端口转发。此例仅以SWB从G0/0/1端口转发此帧为例进行说明。
• SWA接收到此帧后，由于MAC地址表中没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWA会将此帧从G0/0/2转发出去。
• SWC接收到此帧后，由于MAC地址表中也没有对应此帧目的MAC地址的表项，所以SWC会将此帧从G0/0/2端口发送回SWB，也会发给主机B。
• SWB从G0/0/2接口接收到此数据帧之后，会在MAC地址表中删除原有的相关表项，生成一个新的表项，，00-05-06-07-08-AA，对应端口为G0/0/2。此过程会不断重复，从而导致MAC地址表震荡。

1.3 多帧复制

PC2向PC1发送一个单播帧Y，假设S2的MAC地址表中不存在关于PC1的MAC地址表项，所以S2会对Y帧进行泛洪。假设S1的MAC地址表项中存在“PC1的MAC地址<——>port 3” ，S3的MAC地址表项中存在“PC1的MAC地址<——>port 1” ，显然，S1，S3都会对Y帧进行点对点转发操作。最后的结果是PC1 会收到两份Y帧的拷贝。

 

2. STP 作用

STP通过阻塞端口来消除环路，并能够实现链路备份的目的。

2.1 作用

消除环路：通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。

链路备份：当活动路径发生故障时，**备份链路，及时恢复网络连通性。

2.2 基本术语

2.2.1 桥（Bridge）

桥和交换机这两个术语是互用的。

2.2.2 桥MAC地址

一个桥有多个转发端口，一个端口有一个MAC地址。通常把编号最小的那个端口MAC地址作为桥的MAC地址。

2.2.3 桥 ID（BID）

• 一个桥的桥ID由两部分组成，2字节的桥优先级和6字节的桥MAC地址。

• 桥优先级可以人为指定，缺省值为0x8000（相当于32768）。

2.2.4 端口 ID（PID）

端口ID有两种定义方式，不同厂家采用的 PID 定义方式不同，同样端口优先级也是可以人为指定的,缺省情况下，端口优先级是128。。

1. PID 由两字节组成，第一个字节表示端口优先级，后一个字节是端口编号；
2. PID 由16bits组成，前4bit表示端口优先级，后12bit表示端口编号；

 

3. STP 树的生成

STP通过构造一棵树来消除交换网络中的环路。

• 每个STP网络中，都会存在一个根桥，其他交换机为非根桥。根桥或者根交换机位于整个逻辑树的根部，是STP网络的逻辑中心，非根桥是根桥的下游设备。当现有根桥产生故障时，非根桥之间会交互信息并重新选举根桥，交互的这种信息被称为BPDU。BPDU中包含交换机在参加生成树计算时的各种参数信息;
• STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口和预备端口。
• 指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口。
• 根端口是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。
• 如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

STP树生成过程：

1. 选举一个根桥。
2. 每个非根交换机选举一个 根端口。
3. 每个网段选举一个指定端口。
4. 阻塞非根、非指定端口。

3.1 选举根桥

选取原则：桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。

交换机启动后就自动开始进行生成树收敛计算。**默认情况下，所有交换机启动时都认为自己是根桥，自己的所有端口都为指定端口，这样BPDU报文就可以通过所有端口转发。**对端交换机收到BPDU报文后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的桥ID。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级低，接收交换机会继续通告自己的配置BPDU报文给邻居交换机。如果收到的BPDU报文中的桥ID优先级高，则交换机会修改自己的BPDU报文的根桥ID字段，宣告新的根桥。

3.2 确定根端口

• 根桥确定后，其他没有称为根桥的交换机都被称为非根桥。

• 非根交换机在选举根端口时分别依据该端口的根路径开销、对端BID（Bridge ID）、对端PID（Port ID）和本端PID。

• 每个非根桥都要选举一个根端口。根端口是距离根桥最近的端口，这个最近的衡量标准是靠路径开销来判定的，即路径开销最小的端口就是根端口。

• 根端口是根桥与非根桥之间进行报文交互的端口。一台非根桥设备上只有一个根端口。

根路径开销： 交换机的某个端口到根桥的累计路径开销（即从该端口到根桥所经过的所有链路的路径开销的和）称为这个端口的根路径开销（Root Path Cost，RPC）

思科路径开销：

Link Speed	Cost (New IEEE Specification)	Cost (Old IEEE Specification)
10 Gb/s	2	1
1 Gb/s	4	1
100 Mb/s	19	10
10 Mb/s	100	100

华为路径开销：

端口速率	路径开销（IEEE 802.1t标准）
10 Mbit/s	2 000 000
100 Mbit/s	200 000
1 Gbit/s	20 000
10 Gbit/s	2 000

3.2.1思科选取根端口优先顺序：

1. 选择最低的BID;
2. 选择最低的路径开销（一定是到跟桥的路径）;
3. 选择最低发送者的BID;
4. 选择最低端口优先级;
5. 选择最低端口的ID;、

3.2.2 华为选取根端口优先顺序：

1. 端口收到一个BPDU报文后，抽取该BPDU报文中根路径开销字段的值，加上该端口本身的端口开销即为本端口路径开销。如果有两个或两个以上的端口计算得到的累计路径开销相同，那么选择收到发送者BID最小的那个端口作为根端口。

2. 如果两个或两个以上的端口连接到同一台交换机上，则选择发送者PID最小的那个端口作为根端口。如果两个或两个以上的端口通过Hub连接到同一台交换机的同一个接口上，则选择本交换机的这些端口中的PID最小的作为根端口。

3.3 确定指定端口

每个网段都应该有一个指定端口，根桥的所有端口都是指定端口（除非根桥在物理上存在环路）。

3.3.1 思科设备指定端口比较

1. 最低的根桥ID
2. 最低的根路径代价
3. 最低发送者桥ID
4. 最低端口ID

3.3.2 华为设备指定端口比较

1. 根路径开销
2. 端口所在交换机桥ID（BID）
3. 端口ID（PID）

指定端口的选举也是首先比较累计路径开销，累计路径开销最小的端口就是指定端口。如果累计路径开销相同，则比较端口所在交换机的桥ID，所在桥ID最小的端口被选举为指定端口。如果通过累计路径开销和所在桥ID选举不出来，则比较端口ID，端口ID最小的被选举为指定端口。

3.4 阻塞备用端口

未被选举为根端口或指定端口的端口为预备端口，将会被阻塞。

网络收敛后，只有指定端口和根端口可以转发数据。其他端口为预备端口，被阻塞，不能转发由终端计算机产生并发送的数据帧，但是可以接受并处理STP协议帧。只能够从所连网段的指定交换机接收到BPDU报文，并以此来监视链路的状态。

 

4. STP 报文格式

• STP通过交换STP协议帧来建立和维护STP树，在网络拓扑发生变化的时候重建新的STP树。

• STP协议帧是组播帧，组播地址为01-80-c2-00-00-00

• STP协议帧有采用IEEE802.3封装，有两种格式：Configuration BPDU和TCN BPDU

4.1 Configuration BPDU

初始STP树的过程中，各STP交换机都会周期性（2s）主动发送Configuration BPDU。

在STP 稳定后只有根桥周期性发送Configuration BPDU；非根桥会在根端口收到根桥发来的Configuration BPDU，并触发产生自己的Configuration BPDU，且从指定端口发出。（根端口接收，指定端口发出）

4.1.1 BPDU报文格式：

 

BPDU携带的参数可以分为三类：

1. 第一类BPDU自身标识，包括协议标识、版本号、、BPDU类型和flags；
2. 第二类是用于STP计算的参数，包括交换机BID，点前根桥BID，发送BPDU的PID和RPC；
3. 第三类是时间参数；

字段	字节数	说明
protocol identifier	2	总是 0x0000
protocol version identifier	1	总是 0x00
BPDU type	1	0x00:Configuration BPDU 0x80:TCN BPDU
Flags	1	网络拓扑变化标志：仅使用了最高（TCA）最低（TC）
根桥ID	8	由根桥的优先级和MAC地址组成，每个STP网络中有且仅有一个根桥
根路径开销	4	到根桥的最短路径开销
指定桥ID	8	由指定桥的优先级和MAC地址组成
指定端口ID	2	由指定端口的优先级和端口号组成
Message Age	2	配置BPDU在网络中传播的生存期（每经过一个桥，-1）
Max Age	2	配置BPDU在设备中能够保存的最大生存期（缺省20s）
Hello Time	2	配置BPDU发送的周期（2s）
Forward Delay	2	端口状态迁移的延时（缺省15s）。控制端口Listening和Learning状态持续时间，缺省15s

4.1.2 STP 计时器

• Hello Time是指运行STP协议的设备发送配置BPDU的时间间隔，用于检测链路是否存在故障。交换机每隔Hello Time时间会向周围的交换机发送配置BPDU报文，以确认链路是否存在故障。当网络拓扑稳定后，该值只有在根桥上修改才有效。
• Message Age是从根桥发送到当前交换机接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。如果配置BPDU是根桥发出的，则Message Age为0。实际实现中，配置BPDU报文每经过一个交换机，Message Age增加1。
• Forward Delay是指端口状态迁移时间。STP生成树需要一定的时间，如果选出来的根端口或者指定端口马上进入转发状态的话，可能就会总成临时工作环路。forward delay机制：新选出来的根端口和指定端口需要经过两倍的forward delay时间延时后才可以进入用户数据帧的转发状态，保证此时工作拓扑已无环路。
• Max Age是指BPDU报文的老化时间，可在根桥上通过命令人为改动这个值。Max Age通过配置BPDU报文的传递，可以保证Max Age在整网中一致。非根桥设备收到配置BPDU报文后，会将报文中的Message Age和Max Age进行比较：如果Message Age小于等于Max Age，则该非根桥设备会继续转发配置BPDU报文。如果Message Age大于Max Age，则该配置BPDU报文将被老化掉。该非根桥设备将直接丢弃该配置BPDU，并认为是网络直径过大，导致了根桥连接失败。

4.2 TCN BPDU

TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

TCN BPDU 只有三个字段：协议标识，协议版本号和类型。

 

TCN BPDU工作流程：

如果网络中某条链路发生故障，导致拓扑发上变化，位于故障点的交换机可以感知到变化，但是其他交换机无法感知。

1. 位于故障点的交换机会以Hello Time为周期通过根端口不断向上游交换机发送TCN BPDU，直到从上游交换机收到TCA 标志置1的configuration BPDU；
2. 上游交换机收到TCN BPDU后，一方面通过指定端口回复下游交换机TCA置1的configuration BPDU，一方面以hello time为周期向上游交换机发送TCN BPDU；
3. 根桥收到TCN BPDU后，发送TC 置1 的configuration BPDU通告所有交换机网络拓扑发生变化；
4. 交换机收到TC标志置1的configuration BPDU，便意识到网络拓扑已经发生变化，说明自己MAC地址表项可能已经不正确。此时交换机会将MAC地址表的老化周期（缺省300s）置缩短为Forward relay时间长度（缺省15s）。

 

5. STP 端口状态

5.1 端口状态

STP定义了五种端口状态：去能状态、阻塞状态、侦听状态、学习状态和转发状态。

端口状态	说明
去能（Disabled）	无法接受发送任何帧，端口处于关闭状态（Down）
阻塞（Blocking）	可以接受并分析STP协议帧，但是不能发送STP协议帧，也不能转发用户数据帧
侦听（Listening）	可以接受并发送STP协议帧，但是不能学习MAC地址，也不能转发用户数据帧
学习（Learning）	可以接受并发送STP协议帧，可以学习MAC地址，也不能转发用户数据帧
转发（Forwarding）	可以接受并发送STP协议帧，可以学习MAC地址，同时也能转发用户数据帧

5.2端口状态迁移

1. 端口初始化或使能;
2. 端口被选为根端口或指定端口。
3. 端口不再是根端口或指定端口。
4. forward delay计时器超时。
5. 端口禁用或链路失效。

• STP在启动的时候，端口状态由Disabled转为Blocking，此时端口指定接收分析BPDU，不能发送；

• 如果Blocking状态端口被选为根端口或者指定端口，会进入Listening状态，此时端口接收并发送BPDU，这种状态会持续一个Forward Delay时间（缺省15s）；

• 没有意外情况回到Blocking，端口会进入Learning状态，并持续一个Forward Delay时间（缺省15s），此时端口可以收发BPDU，同时构建MAC地址表，为转发用户数据帧做准备；

• 没有意外，端口进入Forwarding状态，开始用户数据帧转发工作；

• 状态迁移过程中，一旦端口被关闭或者出现链路故障，进入去能状态；

• 状态迁移过程中，一旦端口不再是根端口或者指定端口，进入阻塞状态；

5.3 端口状态转换举例

1. 假设交换机S1，S2，S3同一时间启动。各个交换机从Disabled进入Blocking状态。由于处于Blocking状态只能接受分析BPDU，不能发送，所以任何端口都收不到BPDU。等待MAX Age（缺省20s）时间后，每台交换机都会认为自己是根桥，每个端口都是指定端口，端口状态迁移为Listening；
2. 交换机进入learning状态后就会开始发送自己的Configuration BPDU，同时也会受到其他交换机发送的Configuration BPDU。
   • 假设S2先发送Configuration BPDU，S3从自己的G 0/0/2端口收到后，发现S2 的BID逼自己的小，于是认为S2是根桥，将G0/0/2设置为根端口，然后将自己重新产生的根桥设置为S2的Configuration BPDU从G0/0/1端口发给S1；
   • S1收到S3发来的BPDU后，发现自己的BID是最小的，认为自己就是根桥。于是向S3发送Configuration BPDU，同样的也会在G0/0/2 端口受到S2 的Configuration BPDU，也会从G0/0/2端口发送自己的BPDU给S2；
   • 端口在listening状态下持续15s，进入learning。此时S3的G0/0/2接口已经被阻塞。
3. 各个端口相继进入Learning，持续Forward time（15s）后进入。在这段时间内构建MAC地址转发表，为用户数据帧转发做准备；
4. 各端口进入Forwarding状态，开始转发用户数据帧。

 

6. STP 故障问题

6.1 根桥故障

• 在稳定的STP拓扑里，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
• 如果根桥发生了故障，停止发送BPDU报文，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。
• 如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age定时器就会超时（Max Age的默认值为20秒），从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根交换机会互相发送配置BPDU报文，重新选举新的根桥。根桥故障会导致50秒左右的恢复时间，恢复时间约等于Max Age加上两倍的Forward Delay收敛时间。（max age + 2*Forwarding relay）

6.2直连链路故障

• SWB检测到直连链路物理故障后，会将预备端口转换为根端口；
• SWB新的根端口会在30 秒后恢复到转发状态。

此例中，SWA和SWB使用了两条链路互连，其中一条是主用链路，另外一条是备份链路。生成树正常收敛之后，如果SWB检测到根端口的链路发生物理故障，则其Alternate端口会迁移到Listening、Learning、Forwarding状态，经过两倍的Forward Delay后恢复到转发状态。

6.3 非直连链路故障

非直连链路故障后，由于需要等待Max Age加上两倍的Forward Delay时间，端口需要大约50秒才能恢复到转发状态。

本例中，SWB与SWA之间的链路发生了某种故障（非物理层故障），SWB因此一直收不到来自SWA的BPDU报文。

1. 等待Max Age定时器超时后，SWB会认为根桥SWA不再有效，并认为自己是根桥，于是开始发送自己的BPDU报文给SWC，通知SWC自己作为新的根桥。
2. 在此期间，由于SWC的Alternate端口再也不能收到包含原根桥ID的BPDU报文。其Max Age定时器超时后，SWC会切换Alternate端口为指定端口并且转发来自其根端口的BPDU报文给SWB。
3. 所以，Max Age定时器超时后，SWB、SWC几乎同时会收到对方发来的BPDU。经过STP重新计算后，SWB放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。
4. 非直连链路故障后，SWC的预备端口恢复到转发状态大约需要50秒。

6.4 拓扑改变导致MAC地址表错误

在交换网络中，交换机依赖MAC地址表转发数据帧。缺省情况下，MAC地址表项的老化时间是300秒。如果生成树拓扑发生变化，交换机转发数据的路径也会随着发生改变，此时MAC地址表中未及时老化掉的表项会导致数据转发错误，因此在拓扑发生变化后需要及时更新MAC地址表项。

本例中，SWB中的MAC地址表项定义了通过端口GigabitEthernet 0/0/3可以到达主机A，通过端口GigabitEthernet 0/0/1可以到达主机B。由于SWC的根端口产生故障，导致生成树拓扑重新收敛，在生成树拓扑完成收敛之后，从主机A到主机B的帧仍然不能到达目的地。这是因为MAC地址表项老化时间是300秒，主机A发往主机B的帧到达SWB后，SWB会继续通过端口GigabitEthernet 0/0/1转发该数据帧。

6.5 拓扑改变导致MAC地址表变化

拓扑变化过程中，根桥通过TCN BPDU报文获知生成树拓扑里发生了故障。根桥生成TC用来通知其他交换机加速老化现有的MAC地址表项。

拓扑变更以及MAC地址表项更新的具体过程如下：

1. SWC感知到网络拓扑发生变化后，会不间断地向SWB发送TCN BPDU报文。
2. SWB收到SWC发来的TCN BPDU报文后，会把配置BPDU报文中的Flags的TCA位设置1，然后发送给SWC，告知SWC停止发送TCN BPDU报文。
3. SWB向根桥转发TCN BPDU报文。
4. SWA把配置BPDU报文中的Flags的TC位设置为1后发送，**通知下游设备把MAC地址表项的老化时间由默认的300秒修改为Forward Delay的时间（默认为15秒）。**☆
   最多等待15秒之后，SWB中的错误MAC地址表项会被自动清除。此后，SWB就能重新开始MAC表项的学习及转发操作。

 

7. RSTP（STP 优化）

7.1 STP缺陷

STP生成树收敛需要依赖定时器计时，端口状态从Blocking到Forwarding至少需要两个forward relay的时间长度，收敛时间太长，一般都需要几十秒。IEEE 802.1w定义了RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）弥补了STP收敛时间慢的缺陷。

7.2 RSTP

7.2.1 RSTP端口角色

角色	描述
Backup	Backup端口作为指定端口的备份，提供了另外一条从根桥到非根桥的备份链路。
Alternate	Alternate端口作为根端口的备份端口，提供了从指定桥到根桥的另一条备份路径。

7.2.2 三种端口状态

RSTP中定义了三种端口状态：Discarding、Learning、Forwarding。

RSTP 端口状态	对应STP端口状态	说明
Forwarding	Forwarding	可以转发用户数据帧，可以学习MAC地址
Learning	Learning	不可以转发用户数据帧，但是可以学习MAC地址
Discarding	Listening、Blocking、Disabled	不可以转发用户数据帧，不可以学习MAC地址

7.2.3 P/A机制

在RSTP中，一个端口被指定成为指定端口后，此端口会先进入discarding，然后通过**P/A（Proposal/Agreement）**机制主动与对端端口协商，通过协商后，就可以立即进入Forwarding状态。

7.2.4 边缘端口

• RSTP里，位于网络边缘的指定端口被称为边缘端口。
• 边缘端口一般与用户终端设备直接连接，不与任何交换设备连接。边缘端口不接收配置BPDU报文，不参与RSTP运算，可以由Disabled状态直接转到Forwarding状态，且不经历时延，就像在端口上将STP禁用了一样。但是，一旦边缘端口收到配置BPDU报文，就丧失了边缘端口属性，成为普通STP端口，并重新进行生成树计算，从而引起网络震荡。

7.2.5 RSTP收敛过程

RSTP BPDU：RSTP对此进行了改进，即在拓扑稳定后，无论非根桥设备是否接收到根桥传来的配置BPDU报文，非根桥设备都会仍然按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU，该行为完全由每台设备自主进行。

1. 每一台交换机启动RSTP后，都认为自己是“根桥”，并且发送RST BPDU。所有端口都为指定端口，处于Discarding状态。
2. 交换机互相发送Proposal置位的RST BPDU。每个认为自己是“根桥”的交换机生成一个RST BPDU报文来协商指定网段的端口状态，此RST BPDU报文的Flags字段里面的Proposal位需要置位。当一个端口收到RST BPDU报文时，此端口会比较收到的RST BPDU报文和本地的RST BPDU报文。如果本地的RST BPDU报文优于接收的RST BPDU报文，则端口会丢弃接收的RST BPDU报文，并发送Proposal置位的本地RST BPDU报文来回复对端设备。
3. 交换机使用同步机制来实现端口角色协商管理。当收到Proposal置位并且优先级高的BPDU报文时，接收交换机必须设置所有下游指定端口为Discarding状态。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口，则端口状态保持不变。
4. 当确认下游指定端口迁移到Discarding状态后，设备发送RST BPDU报文回复上游交换机发送的Proposal消息。在此过程中，端口已经确认为根端口，因此RST BPDU报文Flags字段里面设置了Agreement标记位和根端口角色。
5. 在P/A进程的最后阶段，上游交换机收到Agreement置位的RST BPDU报文后，指定端口立即从Discarding状态迁移为Forwarding状态。然后，下游网段开始使用同样的P/A进程协商端口角色。

7.2.6 链路故障/根桥失效

• 在STP中，当出现链路故障或根桥失效导致交换机收不到BPDU时，交换机需要等待Max Age时间后才能确认出现了故障。
  g状态。如果下游端口是Alternate端口或者边缘端口，则端口状态保持不变。

4. 当确认下游指定端口迁移到Discarding状态后，设备发送RST BPDU报文回复上游交换机发送的Proposal消息。在此过程中，端口已经确认为根端口，因此RST BPDU报文Flags字段里面设置了Agreement标记位和根端口角色。
5. 在P/A进程的最后阶段，上游交换机收到Agreement置位的RST BPDU报文后，指定端口立即从Discarding状态迁移为Forwarding状态。然后，下游网段开始使用同样的P/A进程协商端口角色。

7.2.6 链路故障/根桥失效

• 在STP中，当出现链路故障或根桥失效导致交换机收不到BPDU时，交换机需要等待Max Age时间后才能确认出现了故障。
• 而在RSTP中，如果交换机的端口在连续3次Hello Timer规定的时间间隔内没有收到上游交换机发送的RST BPDU，便会确认本端口和对端端口的通信失败，从而需要重新进行RSTP的计算来确定交换机及端口角色。