STP – شرح بروتوكول الشجرة الممتدة

ما هو STP؟

بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) هو بروتوكول لإدارة الروابط مصمم لدعم الروابط الزائدة مع منع حدوث حلقات التبديل في الشبكة. طبقة 2 بروتوكول يعمل على الجسور والمحولات، ويجب تفعيله على واجهات المحول. وقد اعتمدته IEEE كمعيار IEEE 802.1D.

لماذا نحتاج إلى STP؟

تُحسّن الروابط الاحتياطية من قدرة الشبكة على تحمل الأعطال، ولكن بدون آلية لمنع الحلقات، قد تُؤدي أيضًا إلى إنشاء حلقات تبديل خطيرة. فيما يلي الحالات التي يصبح فيها بروتوكول الشجرة الممتدة مهمًا:

• تزداد موثوقية الشبكة (تحمل الأعطال) بشكل كبير من خلال إدخال التكرار.
• تقوم المحولات بإغراق حركة المرور من جميع المنافذ عندما يتعين عليها الوصول إلى وجهة غير معروفة بعد.
• يتم توجيه حركة البث والبث المتعدد من كل منفذ باستثناء المنفذ الذي وصلت إليه.
• يقوم بروتوكول STP بإنشاء بنية منطقية خالية من الحلقات من بنية مادية تحتوي على حلقات.

كيف تعمل تقنية STP؟ مثال

تستخدم تقنية الشجرة الممتدة خوارزمية للبحث عن الروابط الزائدة في LAN ويختار أفضل المسارات. ويضع كل رابط إما في حالة إعادة توجيه أو حظر.

بعد هذه العملية، تبقى الروابط التي لا يوجد لها بديل احتياطي في حالة إعادة التوجيه. أما الروابط الاحتياطية التي لم يتم اختيارها كأفضل مسار، فتُضبط على حالة الحظر. لا يستخدم بروتوكول الشجرة الممتدة روابط متعددة إلى الوجهة نفسها، لذا فهو لا يوفر أي توزيع للأحمال.

أنواع STP

فيما يلي الأنواع المختلفة لبروتوكولات الشجرة الممتدة:

Standard	الوصف	اختصار
إيي 802.1 د	منع الحلقات؛ إعادة تكوين الشجرة تلقائيًا بعد أي تغيير؛ تقارب بطيء (يصل إلى 50 ثانية)	STP
بروتوكول الشجرة الممتدة السريع IEEE 802.1w	بروتوكول STP مُحسّن مع تقارب أسرع؛ متوافق مع الإصدارات السابقة من بروتوكول STP	RSTP
IEEE 802.1Q — الشبكة المحلية الظاهرية	يحدد شجرة امتداد مشتركة واحدة لجميع الشبكات المحلية الظاهرية (VLANs).	CST
Cisco خاص — بروتوكول الشجرة الممتدة لكل شبكة محلية ظاهرية	مثيل واحد لبروتوكول الشجرة الممتدة (STP) لكل شبكة محلية ظاهرية (VLAN)؛ PVST+ هو نسخة محسّنة من PVST	بي في إس تي+
Cisco خاص — بروتوكول الشجرة الممتدة السريعة لكل شبكة محلية ظاهرية	تقارب سريع لكل شبكة محلية ظاهرية	PVRST+ / R-PVST+
بروتوكول الشجرة الممتدة المتعددة IEEE 802.1s	شبكات VLAN متعددة مرتبطة بمثيل STP واحد	MSTP

معايير الشجرة الممتدة

ثلاثة معايير تحدد أي الواجهات يتم وضعها في حالة إعادة التوجيه:

• يتم وضع جميع الواجهات على الجسر الجذري في حالة إعادة التوجيه.
• بالنسبة للجسور التي ليست الجسر الجذري، يتم وضع المنفذ الأقرب إلى الجسر الجذري (أقل تكلفة للمسار) في حالة إعادة التوجيه.
• يُعرف الجسر الذي يتمتع بأقل تكلفة مسار إلى الجسر الجذري على جزء من الطريق باسم الجسر المخصص.

مراحل بروتوكول STP

يمر منفذ بروتوكول الشجرة الممتدة عبر عدة حالات قبل أن يقوم بإعادة توجيه حركة البيانات، كما يوضح الرسم البياني أدناه:

دولة الحظر

المنفذ المُعطِّل هو منفذ غير مُخصَّص لا يُشارك أبدًا في إعادة توجيه الإطارات. مدة صلاحيته 20 ثانية (القيمة القصوى للعمر). يدخل المنفذ دائمًا في حالة التعطيل عند تفعيل بروتوكول الشجرة الممتدة (STP).

دولة الاستماع

حالة الاستماع هي أول حالة انتقالية يدخلها المنفذ بعد الحظر. في هذه الحالة، يحدد المنفذ ما إذا كان سيشارك في إعادة توجيه الإطارات. وتؤدي حالة الاستماع الوظائف التالية:

• يتجاهل الإطارات المستلمة على المنفذ
• لا يتعلم عناوين MAC
• يستقبل وحدات BPDU

حالة التعلم

تُهيئ حالة التعلم المنفذ للمشاركة في إعادة توجيه الإطارات. ينتقل المنفذ إلى حالة التعلم من حالة الاستماع ويؤدي الوظائف التالية:

• يتجاهل الإطارات المستلمة على المنفذ
• يستقبل وحدات BPDU
• يتعلم عناوين MAC

دولة الشحن

يقوم المنفذ في حالة التوجيه بإعادة توجيه الإطارات. ينتقل إلى حالة التوجيه من حالة التعلم ويؤدي الوظائف التالية:

• يستقبل ويعيد توجيه الإطارات الواردة على المنفذ
• يتعرف على عناوين MAC
• يستقبل وحدات BPDU

دولة المعوقين

لا يشارك المنفذ المعطل في بروتوكول الشجرة الممتدة لأنه مغلق إداريًا؛ ومدة تشغيله غير محدودة. وتؤدي الواجهة المعطلة الوظائف التالية:

• يتجاهل الإطارات المستلمة على المنفذ
• لا يتعلم عناوين MAC
• لا يتلقى وحدات BPDU

المصطلحات الهامة المستخدمة في بروتوكول الشجرة الممتدة

فيما يلي بعض المصطلحات المهمة المستخدمة في STP:

جسر

الجسر هو عنصر مهم في بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) يربط بين جزأين أو أكثر من أجزاء الشبكة المحلية (LAN).

الجسر الجذري (RB)

يوفر الجسر الجذري نقطة ربط بين جميع القطاعات، ولكل جسر في الشبكة المحلية مسار إليه. يختار بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) الجسر الجذري تلقائيًا، مع إمكانية تغييره من قِبل مسؤول الشبكة عند الحاجة.

الجسر غير الجذري (NRB)

الجسر غير الجذري هو أي جسر ليس الجسر الجذري.

منفذ الجذر (RP)

المنفذ الجذري هو المنفذ الذي يؤدي إلى الجسر الجذري.

الميناء المحدد (DP)

يحتوي كل جزء من الشبكة المحلية على منفذ مخصص واحد. يستقبل كل جسر الإطارات على منفذه المخصص ويعيد توجيهها عبر منفذه الجذري نحو الجسر الجذري.

معرف المنفذ

يساعد معرّف المنفذ في تحديد المنفذ الجذري. ويتكون من قيمة أولوية قابلة للتكوين مكونة من بايت واحد ورقم منفذ فريد لكل جسر.

تكلفة المسار (PC)

تساعد تكلفة المسار في تحديد أفضل بنية شبكية من حيث سرعة إعادة التوجيه؛ فالوصلة ذات النطاق الترددي المنخفض تحمل تكلفة أعلى. يستخدم بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) تكلفة المسار لاختيار أقصر طريق إلى الجسر الجذري.

ميناء غير مُحدد

المنفذ غير المُعيّن هو منفذ في المحوّل يكون محظورًا، ويُسمى أيضًا منفذًا محظورًا أو منفذًا بديلًا. لا يمكنه إعادة توجيه الإطارات إلى المحوّل التالي ولا يُضاف إلى جدول عناوين MAC.

RSTP

بروتوكول الشجرة الممتدة السريع (RSTP) هو بروتوكول شبكة يضمن بنية خالية من الحلقات لشبكات الإيثرنت ويتقارب بشكل أسرع بكثير من بروتوكول الشجرة الممتدة الأصلي (STP).

وحدات بيانات بروتوكول الجسر (BPDU)

يتطلب بروتوكول الشجرة الممتدة من أجهزة الشبكة تبادل الرسائل لتشكيل بنية منطقية خالية من الحلقات. تُسمى هذه الرسائل وحدات بيانات بروتوكول الجسر (BPDUs). يرسل كل جهاز شبكة وحدات بيانات بروتوكول الجسر لمشاركة معلومات البنية.

تساعد وحدات بيانات بروتوكول الجسر (BPDUs) المحولات على القيام بما يلي:

• اختر مفتاحًا واحدًا ليكون بمثابة جذر الشجرة الممتدة.
• احسب أقصر مسار من كل مفتاح إلى المفتاح الجذري، مع تحديد مفتاح واحد باعتباره الأقرب إلى الجذر لكل جزء من الشبكة المحلية.
• حدد منفذًا واحدًا على كل محول كمنفذ الجذر الخاص به (إذا لم يكن هو محول الجذر).
• حدد المنافذ التي تشكل جزءًا من الشجرة الممتدة كمنافذ مخصصة.
• قم بحظر المنافذ غير المخصصة.

تكوين BPDU

تحتوي وحدة بيانات بروتوكول الجسر (BPDU) الخاصة بالتكوين على معرّف الجسر الخاص بالجهاز الجذر، ومعرّف الجسر الخاص بـ transmitجسر تينغ، ومعرّف لـ transmitمنفذ تينغ.

إشعار تغيير الهيكل (TCN) BPDU

يُرسل المحوّل وحدة بيانات بروتوكول الجسر (BPDU) الخاصة بتغيير مسار الاتصال (TCN) إلى الجسر الرئيسي عند اكتشافه تغييرًا في بنية الشبكة، مثل تشغيل أو إيقاف رابط. ثم يُصدر الجسر الرئيسي تعليمات إلى جميع المحوّلات لتقصير مدة صلاحية جدول عناوين MAC الخاص بها، وذلك لمسح الإدخالات القديمة بسرعة.

الاختلافات بين STP وRSTP

يوضح الجدول أدناه الاختلافات الرئيسية بين STP و RSTP:

STP	RSTP
في بروتوكول الشجرة الممتدة (STP)، لا يرسل الجسر وحدة بيانات بروتوكول الشجرة الممتدة (BPDU) إلا عندما يستقبل واحدة على منفذ الجذر الخاص به من جسر الجذر.	يُمكّن بروتوكول RSTP كل محول من إرسال وحدة بيانات بروتوكول الجسر (BPDU) في كل فاصل زمني للترحيب.
يحدد بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) دورين للمنفذ: منفذ الجذر والمنفذ المعين.	يضيف بروتوكول RSTP دورين إضافيين: المنفذ البديل ومنفذ النسخ الاحتياطي.

جدول مرجعي لحالات منافذ STP

يلخص الجدول التالي حالة كل منفذ من منافذ بروتوكول الشجرة الممتدة (STP)، وما إذا كان يعالج وحدات بيانات بروتوكول الشجرة الممتدة (BPDUs)، وما إذا كان يتعلم عناوين MAC:

الولايه او المحافظه	الوصف	معالجة وحدات BPDU	تعلم ماك
فيه	تهيئة المنفذ.	لا	لا
معاق	دولة إدارية لا تشارك في عمليات STP القياسية.	لا	لا
حجب	لا يقوم المنفذ بإعادة توجيه إطارات الإيثرنت.	نعم (يستقبل ويعالج وحدات بيانات بروتوكول الجسر فقط)	لا
استماع	يتم حساب الطوبولوجيا الخالية من الحلقات في هذه الحالة، ويتم تعيين دور المنفذ.	نعم (يرسل ويستقبل وحدات بيانات بروتوكول الجسر)	لا
التعلُّم	حالة إضافية تؤخر إعادة توجيه الإطارات لتجنب إغراق الشبكة.	نعم	نعم (يملأ جدول عناوين MAC)
إعادة توجيه	عملية تشغيل عادية، إعادة توجيه إطارات الإيثرنت.	نعم	نعم

الأسئلة الشائعة