STP

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 23. října 2021; kontroly vyžadují 8 úprav .
STP
název protokol spanning tree
Úroveň (podle modelu OSI ) odvedeny
Vytvořeno v 1985
Účel protokolu Eliminujte smyčky v topologii sítě
Specifikace RSTP, MSTP, SPB
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Spanning Tree Protocol ( STP , spanning tree protokol ) je kanálový protokol. Hlavním úkolem STP je eliminovat smyčky v topologii libovolné ethernetové sítě , ve které je jeden nebo více síťových mostů propojených redundantními spoji. STP řeší tento problém automatickým blokováním připojení, která jsou aktuálně redundantní pro plnou konektivitu přepínačů.

Nutnost eliminovat topologické smyčky v ethernetové síti vyplývá ze skutečnosti, že jejich přítomnost v reálné ethernetové síti s přepínačem s vysokou pravděpodobností vede k nekonečnému opakování přenosu stejných ethernetových rámců jedním nebo více přepínači, proto šířka pásma sítě je téměř zcela obsazena těmito zbytečnými opakováními. za těchto podmínek sice může síť technicky pokračovat v provozu, ale v praxi se její výkon sníží tak, že to může vypadat jako úplné selhání sítě.

STP patří do druhé vrstvy modelu OSI . Protokol je popsán ve standardu IEEE 802.1D, který vyvinula IEEE 802.1 Working Group on Internetworking. Založeno na stejnojmenném algoritmu , který vyvinula Radia Perlman . 

Pokud existuje několik cest v přemostěné síti (v síťovém segmentu přepínačů), mohou se tvořit cyklické cesty a dodržování jednoduchých pravidel pro předávání dat přes most (přepínač) způsobí, že stejný paket bude nekonečně přenášen z jednoho mostu do jiné (které se mají přenášet kolem kruhu ze spínačů).

Algoritmus spanning tree vám umožňuje automaticky deaktivovat přemostění na jednotlivých portech podle potřeby (blokovat porty přepínače), aby se zabránilo zacyklení v topologii tras předávání paketů. Pro použití algoritmu spanning tree v síťovém mostě není nutná žádná další konfigurace [1] .

Popis

Algoritmus spanning tree je základem protokolu, který dynamicky deaktivuje redundantní spojení v síti Ethernet (pro vytvoření stromové topologie). STP je standardizováno IEEE a je podporováno mnoha modely spravovaných přepínačů, zejména je standardně povoleno na všech přepínačích Cisco .

Podstatou protokolu je, že ethernetové přepínače, které jej podporují, si mezi sebou vyměňují informace „o sobě“. Na základě určitých podmínek (obvykle v souladu s nastavením) je jeden z přepínačů vybrán jako „root“ (nebo „root“), poté všechny ostatní přepínače pomocí algoritmu spanning tree vybírají porty pro provoz, které jsou „ nejblíže“ ke „kořenovému“ přepínači (počet prostředníků a rychlosti linky). Všechny ostatní síťové porty vedoucí ke „kořenovému“ přepínači jsou blokovány. Tak se vytvoří strom s kořenem ve vybraném komutátoru.

Na přepínačích Cisco s podporou VLAN běží STP ve výchozím nastavení nezávisle pro každou virtuální síť.

Kromě STP mohou přepínače využívat i další metody pro detekci a eliminaci smyček – například porovnáním přepínacích tabulek (seznamů MAC adres) různých portů nebo porovnáním kontrolních součtů procházejících paketů (shoda označuje stejné pakety, které objevují kvůli smyčkám). Ve srovnání s popsanými metodami, které náhodně (nebo na základě nějakého odhadu) blokují „duplicitní“ porty, poskytuje protokol STP stromovou strukturu celého segmentu s libovolným počtem redundantních linek mezi libovolnými přepínači, které podporují STP.

Jak to funguje

  1. Je vybrán jeden kořenový most ( anglicky  Root Bridge ).
  2. Dále každý přepínač vypočítá nejkratší cestu ke kořenu. Odpovídající port se nazývá kořenový port ( anglicky  Root Port ). Jakýkoli nekořenový přepínač může mít pouze jeden kořenový port.
  3. Poté se pro každý segment sítě, ke kterému je připojen více než jeden most (nebo několik portů jednoho mostu), vypočítá nejkratší cesta ke kořenovému mostu (portu). Most, kterým tato cesta prochází, je určen pro tuto síť ( anglicky  Designated Bridge ) a odpovídající port - určený port ( anglicky  Designated port ).
  4. Dále, ve všech segmentech, ke kterým je připojen více než jeden mostový port, všechny mosty blokují všechny porty, které nejsou root a jsou přiřazeny. Výsledkem je stromová struktura (matematický graf ) s vrcholem v podobě kořenového přepínače.

Základní pojmy

Přenosová rychlost a náklady na cestu

Rychlost přenosu Cena (802,1D-1998) Cena ( 802.1W-2001 )
4 Mbps 250 5 000 000
10 Mbps 100 2 000 000
16 Mbps 62 1 250 000
100 Mbps 19 200 000
1 Gbps čtyři 20 000
2 Gbps 3 10 000
10 Gbps 2 2000

Důležitá pravidla

  1. Kořenový port je přiřazen portu s nejnižší cenou cesty.
  2. Mohou nastat případy, kdy náklady na cestu přes dva nebo více portů přepínače budou stejné, pak se výběr kořenového (kořenového) portu provede na základě priority a sériového čísla portu (ID nejnižšího odesílatele portu ) přijaté od sousedů [2] , například fa0/1 , fa0 /2, fa0/3 a root bude port s nejnižším číslem.
  3. Přepínače ve výchozím nastavení neměří stav zatížení sítě v reálném čase a pracují podle nákladů na rozhraní v době, kdy je strom STP sestaven.
  4. Každý port má své vlastní náklady (náklady), nepřímo úměrné šířce pásma (šířce pásma) portu a které lze konfigurovat ručně.
  5. Všechny porty v STP postupně procházejí 4 stavy: blokování (naslouchání BPDU bez přenosu dat), naslouchání (naslouchání a předávání BPDU), učení (příjem dat, aktualizace MAC tabulek), předávání (pracovní stav portu). Ve výchozích intervalech se přesměrování portů spustí po 30 sekundách.

  • Po zapnutí přepínačů v síti se standardně každý přepínač považuje za root (root).
  • Každý přepínač začne odesílat konfigurační pakety Hello BPDU každé 2 sekundy na všech portech.
  • Pokud most přijme BPDU s ID mostu menším, než je jeho vlastní, přestane generovat své vlastní BPDU a začne předávat BPDU s tímto ID. V této ethernetové síti tak nakonec zůstává pouze jeden most, který nadále generuje a vysílá své vlastní BPDU. Stává se kořenovým mostem .
  • Zbývající mosty přenášejí BPDU kořenového mostu, přidávají k nim svůj vlastní identifikátor a zvyšují počítadlo nákladů na cestu.
  • Pro každý segment sítě, ke kterému jsou připojeny dva nebo více mostových portů, je definován určený port – port, přes který do tohoto segmentu vstupují BPDU přicházející z kořenového mostu.
  • Poté jsou zablokovány všechny porty v segmentech, ke kterým jsou připojeny 2 nebo více mostových portů, kromě kořenového portu a určeného portu.
  • Kořenový most pokračuje v odesílání svých Hello BPDU každé 2 sekundy.

Porty

Každý port zapojený do STP může pracovat v jednom z následujících režimů (rolí):

Evoluce a expanze

Rapid STP (RSTP) je významným vylepšením STP. V první řadě je třeba poznamenat snížení doby konvergence a vyšší stabilitu. Toho je do značné míry dosaženo díky nápadům používaným společností Cisco Systems jako proprietární rozšíření STP. RSTP je popsán ve standardu IEEE 802.1w (následně zahrnut v 802.1D-2004).

Rapid STP je kompatibilní s STP – pokud zařízení používá STP, pak RSTP bude také používat STP s tímto zařízením, ale v tomto režimu se může stát, že přítomnost RSTP na jiných zařízeních neposkytuje výhody oproti STP.

Per-VLAN STP (PVSTP), jak název napovídá, rozšiřuje funkčnost STP o použití VLAN . V rámci tohoto protokolu funguje v každé VLAN samostatná instance STP. Jedná se o proprietární rozšíření společnosti Cisco . Zpočátku protokol PVST fungoval pouze přes ISL trunky, pak bylo vyvinuto rozšíření PVST +, které mu umožnilo pracovat přes mnohem běžnější 802.1Q trunky. Existují implementace, které kombinují vlastnosti PVST+ a RSTP, protože tato rozšíření ovlivňují nezávislé části protokolu a výsledkem je (v terminologii Cisco) Rapid PVST+. PVST+ je kompatibilní s STP a dokonce komunikuje „přes“ přepínače, které nepodporují PVST+ ani Rapid PVST+ pomocí rámců multicast. Společnost Cisco Systems však doporučuje, abyste ve stejné síti nesměšovali přepínače od různých výrobců, abyste předešli problémům s kompatibilitou mezi různými implementacemi a variantami STP.

Výše uvedené varianty protokolů STP lze klasifikovat podle počtu instancí STP v případě, že počet VLAN je více než jedna. Existují varianty protokolu, ve kterých mají všechny VLAN jedinou instanci STP (ve skutečnosti STP, RSTP), a varianty, ve kterých má každá VLAN svou vlastní instanci STP (PVST, PVST+, Rapid PVST+).

Určitá redundance variant se samostatnou instancí STP pro každou VLAN spočívá v tom, že pokud je topologie několika VLAN stejná, pak odpovídající instance STP navzájem zcela opakují svou práci. V tomto případě se v zásadě zbytečná operace v podstatě navzájem duplikující instance STP mění ve zbytečnou dodatečnou zátěž procesoru přepínače a v konečném důsledku může donutit designéry hardwaru k výběru výkonnějšího procesoru s vyšší spotřebou energie, aby byl zajištěn jeho stabilní provoz. což může znamenat dodatečné náklady.na napájení a chlazení jak při výrobě zařízení, tak v provozu.

V tomto ohledu stojí více STP (MSTP) stranou . Do jedné instance MSTP může být zahrnuto několik VLAN za předpokladu, že jejich topologie je stejná (pokud jde o přepínače obsažené ve VLAN a spojení mezi nimi). Minimální počet instancí MSTP odpovídá počtu topologicky jedinečných skupin VLAN v doméně druhé úrovně (opět na úrovni přepínačů a spojení mezi nimi). MSTP ukládá důležité omezení: všechny přepínače účastnící se MSTP musí mít stejně nakonfigurované skupiny VLAN (instance MST), což omezuje flexibilitu při změně konfigurace sítě.

MSTP je popsán ve standardu IEEE 802.1s (následně zahrnut v 802.1Q-2003).

Přemostění nejkratší cesty (SPB)

Shortest Path Bridging (SPB) IEEE 802.1aq překonává omezení blokování.

Historie vytvoření

Algoritmus za STP byl vyvinut v roce 1985 Radiem Perlmanem . Dostala 1 týden na vývoj algoritmu. Udělala to za 1 den a ve zbývajícím čase popsala algoritmus ve formě básně [3] :

Myslím, že nikdy neuvidím
graf krásnější než strom.
Strom, jehož zásadní vlastností
je konektivita bez smyčky.
Strom, který se musí rozprostírat,
takže pakety mohou dosáhnout každé LAN.
Nejprve je třeba vybrat kořen.
Podle ID se volí.
Cesty s nejnižšími náklady od root jsou sledovány.
Ve stromu jsou tyto cesty umístěny.
Síť dělají lidé jako já, pak
mosty najdou kostru.

— Radia Joy Perlmanová

Poznámky

  1. ↑ Síťový most . Datum přístupu: 18. ledna 2015. Archivováno z originálu 18. ledna 2015.
  2. ↑ 802.1d-STP . Získáno 17. března 2015. Archivováno z originálu dne 2. dubna 2015.
  3. ↑ Algoritmus pro distribuovaný výpočet Spanning Tree v rozšířené LAN  (nedostupný odkaz) , Radia Perlman (DEC), 1985

Odkazy