STP – Обяснение на протокола Spanning Tree

⚡ Умно обобщение

Spanning Tree Protocol (STP) е стандарт за управление на връзки от ниво 2, IEEE 802.1D, който предотвратява превключване на контури в мрежи с излишни връзки чрез избиране на коренен мост и поставяне на резервните портове в блокиращо състояние.

🔁 Основание: STP изгражда логическа топология без цикли от физическа мрежа, която съдържа излишни, потенциално скучни...ping връзки.
🌉 Коренен мост: Комутаторите обменят BPDU, за да изберат един коренен мост, като референтната точка, към която всеки друг комутатор измерва най-краткия си път, е тази.
🧱 Пристанищни държави: Всеки порт преминава през блокиране, слушане, обучение и пренасочване, плюс деактивирано състояние за изключени портове.
⚡ RSTP: Протоколът за бързо обхващащо дърво (802.1w) се слива за секунди, докато класическият STP може да отнеме до 50 секунди.
📊 варианти: Стандартите включват STP, RSTP, MSTP (802.1s) и Cisco PVST+ и PVRST+ за дървета на VLAN.
🤖 AI помощ: Инструментите за машинно обучение сигнализират за промени в топологията и условия на цикъла по-бързо от ръчния преглед на лог файловете.

Прочетете повече

Какво е STP?

Протоколът Spanning Tree (STP) е протокол за управление на връзки, предназначен да поддържа излишни връзки, като същевременно предотвратява превключване на контури в мрежата. Той е... Слой 2 протокол, който работи на мостове и комутатори и трябва да бъде активиран на интерфейсите на комутатора. IEEE го стандартизира като IEEE 802.1D.

Защо се нуждаем от STP?

Излишните връзки подобряват отказоустойчивостта, но без механизъм за предотвратяване на цикли те могат да създадат и опасни цикли на превключване. Ето ситуациите, в които протоколът Spanning Tree става важен:

Надеждността (устойчивостта на откази) на мрежата се увеличава значително чрез въвеждането на резервиране.
Комутаторите пренасищат трафика от всички портове, когато той трябва да достигне дестинация, която все още не е известна.
Трафикът за излъчване и мултикаст се пренасочва от всеки порт, с изключение на този, на който е пристигнал.
STP създава логическа топология без цикли от физическа топология, която съдържа цикли.

Как работи STP? Пример

Spanning tree използва алгоритъм за търсене на излишни връзки в LAN и избира най-добрите пътища. Той поставя всяка връзка в състояние на пренасочване или блокиране.

След този процес, връзките без излишна алтернатива остават в състояние на пренасочване. Излишните връзки, които не са избрани като най-добрият път, се настройват за блокиране. Spanning Tree никога не използва множество връзки към една и съща дестинация, така че не осигурява споделяне на натоварването.

Видове STP

Ето различните видове протоколи за обхващащо дърво:

Standard	Descriptйон	съкращението
IEEE 802.1D	Предотвратяване на цикли; автоматично преконфигуриране на дървото след всяка промяна; бавна конвергенция (до 50 секунди)	STP
IEEE 802.1w — Протокол за бързо обхващащо дърво	Подобрен STP с по-бърза конвергенция; обратно съвместим с STP	RSTP
IEEE 802.1Q — Виртуална локална мрежа	Дефинира едно общо spanning tree за всички VLAN мрежи	CST
Cisco собственическа — обхващащо дърво за всяка VLAN	Един STP екземпляр на VLAN; PVST+ е подобрен вариант на PVST	PVST+
Cisco собствена — бързо обхващащо дърво за всяка VLAN	Бърза конвергенция за всяка VLAN мрежа	PVRST+ / R-PVST+
IEEE 802.1s — Протокол за множество обхващащи дървета	Множество VLAN мрежи, картографирани към един STP екземпляр	MSTP

Критерии за Spanning Tree

Три критерия определят кои интерфейси да бъдат поставени в състояние на пренасочване:

Всички интерфейси на коренния мост са поставени в състояние на пренасочване.
За мостове, които не са коренният мост, портът, който е най-близо до коренния мост (с най-ниска цена на пътя), се поставя в състояние на пренасочване.
Мостът с най-ниска цена на пътя до коренния мост в даден сегмент се нарича обозначен мост.

Етапи на STP протокола

Портът на Spanning Tree преминава през няколко състояния, преди да пренасочи трафика, както е показано на диаграмата по-долу:

Блокиращо състояние

Блокиращ порт е неопределен порт, който никога не участва в пренасочване на кадри. Таймерът му е 20 секунди (стойността за максимална възраст). Интерфейсът винаги влиза в блокиращо състояние, когато активирате STP.

Състояние на слушане

Състоянието на слушане е първото преходно състояние, в което портът влиза след блокиране. Тук портът определя дали трябва да участва в пренасочването на кадри. Състоянието на слушане изпълнява следните функции:

Отхвърля кадрите, получени на порта
Не учи MAC адреси
Получава BPDU

Състояние на обучение

Състоянието на обучение подготвя порта за участие в пренасочването на кадри. Портът влиза в състояние на обучение от състояние на слушане и изпълнява следните функции:

Отхвърля кадрите, получени на порта
Получава BPDU
научава MAC адреси

Препращаща държава

Порт в състояние на препращане препраща кадри. Той влиза в състояние на препращане от състояние на обучение и изпълнява следните функции:

Приема и препраща кадри, получени на порта
Научава MAC адреси
Получава BPDU

Държава с увреждания

Деактивиран порт не участва в Spanning Tree, защото е административно изключен; времето му е неограничено. Деактивиран интерфейс изпълнява следните функции:

Отхвърля кадрите, получени на порта
Не учи MAC адреси
Не получава BPDU

Важни термини, използвани в Spanning Tree Protocol

Ето някои важни термини, използвани в STP:

Мост

Мостът е важен компонент на STP, който свързва два или повече LAN сегмента.

Коренен мост (RB)

Коренният мост предлага точка за свързване на всички сегменти и всеки мост в локалната мрежа има път до него. STP избира коренния мост автоматично, въпреки че мрежовият администратор може да го промени, когато е необходимо.

Некоренов мост (NRB)

Не-кореновият мост е всеки мост, който не е кореновият мост.

Основен порт (RP)

Коренният порт е портът, който води към коренния мост.

Определено пристанище (DP)

Всеки LAN сегмент има един обозначен порт. Всеки мост получава кадри на определения си порт и ги препраща през коренния си порт към коренния мост.

Идентификатор на порт

Идентификаторът на порта помага за определянето на главния порт. Той се състои от конфигурируема 1-байтова стойност на приоритета и уникален номер на порт за всеки мост.

Цена на пътя (PC)

Цената на пътя помага да се определи най-добрата топология по отношение на скоростта на пренасочване; връзката с по-ниска честотна лента носи по-висока цена. STP използва цената на пътя, за да избере най-краткия маршрут до коренния мост.

Неопределено пристанище

Неопределен порт е блокиран порт на комутатор, наричан още блокиран или алтернативен порт. Той не може да препраща кадри към следващия комутатор и не попълва таблицата с MAC адреси.

RSTP

Протоколът за бързо обхващащо дърво (RSTP) е мрежов протокол, който осигурява топология без цикли за Ethernet мрежи и конвергира много по-бързо от оригиналния STP.

Bridge Protocol Data Units (BPDU)

Протоколът Spanning Tree изисква мрежовите устройства да обменят съобщения, за да могат да формират логическа топология без цикли. Тези съобщения се наричат BPDU (Bridge Protocol Data Units - единици данни за мостов протокол). Всяко мрежово устройство изпраща BPDU, за да сподели информация за топологията.

BPDU помагат на комутаторите да правят следното:

Изберете един превключвател, който да действа като корен на обхващащото дърво.
Изчислете най-краткия път от всеки комутатор до главния комутатор, като определите един комутатор като най-близо до главния за всеки LAN сегмент.
Изберете един порт на всеки комутатор като негов root порт (ако не е root комутаторът).
Идентифицирайте портовете, които са част от spanning tree, като обозначени портове.
Блокирайте неопределените портове.

Конфигурация BPDU

Конфигурационната BPDU носи идентификатора на моста на коренното устройство, идентификатора на моста на transmitмост и идентификатор на transmitпорт за тинг.

Известие за промяна на топологията (TCN) BPDU

TCN BPDU се изпраща от комутатор към коренния мост, когато засече промяна в мрежовата топология, като например връзка, която се активира или деактивира. След това коренният мост инструктира всеки комутатор да съкрати времето за стареене на таблицата с MAC адреси, така че остарелите записи да се изчистват бързо.

Разлики между STP и RSTP

Таблицата по-долу подчертава основните разлики между STP и RSTP:

STP	RSTP
В STP, мостът изпраща BPDU само когато получи такъв на коренния си порт от коренния мост.	RSTP позволява на всеки комутатор да изпраща BPDU на всеки интервал на поздрав.
STP дефинира две роли на портове: коренен порт и обозначен порт.	RSTP добавя още две роли: алтернативен порт и резервен порт.

Справочна таблица за състоянията на STP портовете

Следната таблица обобщава състоянието на всеки STP порт, дали обработва BPDU и дали научава MAC адреси:

Област	Descriptйон	Обработвайте BPDU	Научете MAC
В него	Инициализация на порт.	Не	Не
Забранен	Административен щат, който не участва в стандартни STP операции.	Не	Не
Спиране	Портът не препраща Ethernet кадри.	Да (получава и обработва само BPDU)	Не
Слушане	В това състояние се изчислява топологията без контури и на порта се присвоява неговата роля.	Да (изпраща и получава BPDU)	Не
Обучение	Допълнително състояние, което забавя пренасочването на кадри, за да се избегне претоварване на мрежата.	Да	Да (попълва таблицата с MAC адреси)
Пренасочване	Нормална работа, препращане на Ethernet рамки.	Да	Да

Въпроси и Отговори

Всеки комутатор обявява идентификатор на моста, съставен от стойност на приоритета (по подразбиране 32768) плюс неговия MAC адрес. Комутаторът с най-нисък идентификатор на моста става коренният мост; ако приоритетите са равни, най-ниският MAC адрес печели.

Класическият 802.1D използва три таймера: време за „здравей“ от 2 секунди, забавяне на препращането от 15 секунди за състоянията на слушане и обучение и максимална продължителност от 20 секунди. Пълната конвергенция може да отнеме от 30 до 50 секунди.

BPDU Guard защитава портовете за достъп (edge), които никога не би трябвало да получават BPDU. Ако такъв порт получи такъв, комутаторът незабавно го премества в състояние на грешка-деактивирано, спирайкиping неправилни превключватели или случайни цикли от дестабилизиране на топологията.

PortFast позволява на порт за достъп да пропусне състоянията на слушане и обучение и да премине директно към пренасочване. Използвайте го само на портове, свързани към крайни устройства като компютри или сървъри, никога на връзки между комутатори.

Без STP, излишни връзки между ключове създават мостови цикли. Рамките циркулират безкрайно, предизвиквайки излъчващи бури, дублиращи се рамки и нестабилност на таблицата с MAC адреси, които могат бързо да претоварят и сринат цялата локална мрежа.

Да. Съвременните комутатори използват RSTP или MSTP по подразбиране, защото се сливат за секунди. Големите центрове за данни все по-често добавят технологии за маршрутизиране на Layer 3 или fabric, като TRILL, SPB и EVPN-VXLAN, но STP все още предпазва Layer 2 от цикли.

Инструментите за машинно обучение изчисляват нормалните BPDU и активността по промяна на топологията, след което сигнализират за аномалии, като например внезапни наводнения на TCN или претоварване.ping коренен мост. Това ускорява анализа на първопричината, въпреки че инженерът все пак потвърждава и прилага корекцията.

Копилот на GitHub дама Cisco IOS, Ansible или Python фрагменти за задачи като задаване на приоритет на моста или активиране на PortFast от кратък коментар. Винаги преглеждайте генерираните команди, преди да ги приложите към производствени комутатори.