STP – Επεξήγηση του πρωτοκόλλου Spanning Tree
Μπράις Λίο
⚡ Έξυπνη Σύνοψη
Το πρωτόκολλο Spanning Tree (STP) είναι ένα πρότυπο διαχείρισης συνδέσμων επιπέδου 2, το IEEE 802.1D, που αποτρέπει την εναλλαγή βρόχων σε δίκτυα με πλεονάζουσες συνδέσεις επιλέγοντας μια ριζική γέφυρα και τοποθετώντας τις εφεδρικές θύρες σε κατάσταση αποκλεισμού.
Τι είναι το STP;
Το Spanning Tree Protocol (STP) είναι ένα πρωτόκολλο διαχείρισης συνδέσμων που έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει πλεονάζουσες συνδέσεις, αποτρέποντας παράλληλα τους βρόχους μεταγωγής στο δίκτυο. Είναι ένα Επίπεδο 2 πρωτόκολλο που εκτελείται σε γέφυρες και διακόπτες και πρέπει να είναι ενεργοποιημένο στις διεπαφές διακοπτών. Το IEEE το τυποποίησε ως IEEE 802.1D.
Γιατί χρειαζόμαστε STP;
Οι πλεονάζουσες συνδέσεις βελτιώνουν την ανοχή σφαλμάτων, αλλά χωρίς μηχανισμό πρόληψης βρόχων μπορούν επίσης να δημιουργήσουν επικίνδυνους βρόχους μεταγωγής. Ακολουθούν οι περιπτώσεις όπου το πρωτόκολλο Spanning Tree καθίσταται σημαντικό:
- Η αξιοπιστία (ανοχή σφαλμάτων) του δικτύου αυξάνεται σημαντικά μέσω της εισαγωγής πλεονασμού.
- Μετατρέπει την κυκλοφορία πλημμύρας από όλες τις θύρες όταν πρέπει να φτάσει σε έναν προορισμό που δεν είναι ακόμη γνωστός.
- Η κίνηση μετάδοσης και πολλαπλής διανομής προωθείται από κάθε θύρα εκτός από αυτήν στην οποία έφτασε.
- Το STP δημιουργεί μια λογική τοπολογία χωρίς βρόχους από μια φυσική τοπολογία που περιέχει βρόχους.
Πώς λειτουργεί το STP; Παράδειγμα
Το spanning tree χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο για να αναζητήσει τους πλεονάζοντες συνδέσμους στο LAN και επιλέγει τις καλύτερες διαδρομές. Τοποθετεί κάθε σύνδεσμο είτε σε κατάσταση προώθησης είτε σε κατάσταση αποκλεισμού.
Μετά από αυτήν τη διαδικασία, οι σύνδεσμοι χωρίς πλεονάζουσα εναλλακτική παραμένουν στην κατάσταση προώθησης. Οι πλεονάζοντες σύνδεσμοι που δεν επιλέχθηκαν ως η καλύτερη διαδρομή ορίζονται σε αποκλεισμό. Το Spanning Tree δεν χρησιμοποιεί ποτέ πολλαπλούς συνδέσμους προς τον ίδιο προορισμό, επομένως δεν παρέχει κοινή χρήση φορτίου.
Τύποι STP
Ακολουθούν οι διαφορετικοί τύποι πρωτοκόλλων Spanning Tree:
| Βασική | Περιγραφή | Συντομογραφία |
|---|---|---|
| IEEE 802.1D | Πρόληψη βρόχου· αυτόματη αναδιαμόρφωση του δέντρου μετά από οποιαδήποτε αλλαγή· αργή σύγκλιση (έως 50 δευτερόλεπτα) | STP |
| IEEE 802.1w — Πρωτόκολλο Rapid Spanning Tree | Βελτιωμένο STP με ταχύτερη σύγκλιση· συμβατό με STP προς τα πίσω | RSTP |
| IEEE 802.1Q — Εικονικό τοπικό δίκτυο (Virtual LAN) | Ορίζει ένα κοινό δέντρο επέκτασης για όλα τα VLAN | CST |
| Cisco ιδιόκτητο — Ανά VLAN Spanning Tree | Μία παρουσία STP ανά VLAN. Το PVST+ είναι μια βελτιωμένη παραλλαγή του PVST | PVST+ |
| Cisco ιδιόκτητο — Ανά VLAN Rapid Spanning Tree | Ταχεία σύγκλιση ανά VLAN | PVRST+ / R-PVST+ |
| IEEE 802.1s — Πρωτόκολλο Πολλαπλού Δέντρου Εκτεινόμενης Διασποράς | Πολλαπλά VLAN αντιστοιχισμένα σε μία μόνο παρουσία STP | MSTP |
Κριτήρια για το Spanning Tree
Τρία κριτήρια καθορίζουν ποιες διεπαφές τοποθετούνται στην κατάσταση προώθησης:
- Όλες οι διεπαφές στη ριζική γέφυρα τίθενται σε κατάσταση προώθησης.
- Για γέφυρες που δεν είναι η root γέφυρα, η θύρα που βρίσκεται πιο κοντά στη root γέφυρα (το χαμηλότερο κόστος διαδρομής) τίθεται σε κατάσταση προώθησης.
- Η γέφυρα με το χαμηλότερο κόστος διαδρομής προς τη ριζική γέφυρα σε ένα τμήμα είναι γνωστή ως καθορισμένη γέφυρα.
Στάδια του πρωτοκόλλου STP
Μια θύρα Spanning Tree μεταβαίνει από αρκετές καταστάσεις πριν προωθήσει την κίνηση, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:
Κράτος αποκλεισμού
Μια θύρα αποκλεισμού είναι μια μη καθορισμένη θύρα που δεν συμμετέχει ποτέ στην προώθηση πλαισίων. Ο χρονοδιακόπτης της είναι 20 δευτερόλεπτα (η μέγιστη τιμή ηλικίας). Μια διεπαφή εισέρχεται πάντα στην κατάσταση αποκλεισμού όταν ενεργοποιείτε το STP.
Κράτος ακρόασης
Η κατάσταση ακρόασης είναι η πρώτη μεταβατική κατάσταση στην οποία εισέρχεται μια θύρα μετά τον αποκλεισμό. Εδώ η θύρα καθορίζει εάν θα πρέπει να συμμετάσχει στην προώθηση πλαισίων. Η κατάσταση ακρόασης εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:
- Απορρίπτει τα πλαίσια που λαμβάνονται στη θύρα
- Δεν μαθαίνει διευθύνσεις MAC
- Λαμβάνει BPDU
Κατάσταση μάθησης
Η κατάσταση εκμάθησης προετοιμάζει τη θύρα για να συμμετάσχει στην προώθηση πλαισίων. Μια θύρα εισέρχεται στην κατάσταση εκμάθησης από την κατάσταση ακρόασης και εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:
- Απορρίπτει τα πλαίσια που λαμβάνονται στη θύρα
- Λαμβάνει BPDU
- Μαθαίνει Διευθύνσεις MAC
Κράτος αποστολής
Μια θύρα που βρίσκεται στην κατάσταση προώθησης προωθεί πλαίσια. Εισέρχεται στην κατάσταση προώθησης από την κατάσταση εκμάθησης και εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:
- Λαμβάνει και προωθεί πλαίσια που λαμβάνονται στη θύρα
- Μαθαίνει διευθύνσεις MAC
- Λαμβάνει BPDU
Κράτος με ειδικές ανάγκες
Μια απενεργοποιημένη θύρα δεν συμμετέχει στο Spanning Tree επειδή έχει τερματιστεί διαχειριστικά. Ο χρόνος λειτουργίας της είναι απεριόριστος. Μια απενεργοποιημένη διεπαφή εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:
- Απορρίπτει τα πλαίσια που λαμβάνονται στη θύρα
- Δεν μαθαίνει διευθύνσεις MAC
- Δεν λαμβάνει BPDU
Σημαντικοί όροι που χρησιμοποιούνται στο Spanning Tree Protocol
Ακολουθούν ορισμένοι σημαντικοί όροι που χρησιμοποιούνται στο STP:
Γέφυρα
Μια γέφυρα είναι ένα σημαντικό στοιχείο του STP που συνδέει δύο ή περισσότερα τμήματα LAN.
Root Bridge (RB)
Η ριζική γέφυρα προσφέρει ένα σημείο διασύνδεσης για όλα τα τμήματα και κάθε γέφυρα σε ένα τοπικό δίκτυο (LAN) έχει μια διαδρομή προς αυτήν. Το STP επιλέγει αυτόματα τη ριζική γέφυρα, αν και ένας διαχειριστής δικτύου μπορεί να την αλλάξει όταν απαιτείται.
Non-Root Bridge (NRB)
Μια γέφυρα χωρίς ρίζα είναι οποιαδήποτε γέφυρα που δεν είναι η γέφυρα ρίζας.
Θύρα ρίζας (RP)
Η θύρα ρίζας είναι η θύρα που οδηγεί προς τη γέφυρα ρίζας.
Καθορισμένο Λιμάνι (DP)
Κάθε τμήμα LAN έχει μία καθορισμένη θύρα. Κάθε γέφυρα λαμβάνει πλαίσια στην καθορισμένη θύρα της και τα προωθεί μέσω της ριζικής θύρας της προς τη ριζική γέφυρα.
Ταυτότητα λιμένα
Το αναγνωριστικό θύρας βοηθά στον καθορισμό της ριζικής θύρας. Αποτελείται από μια ρυθμιζόμενη τιμή προτεραιότητας 1 byte και έναν μοναδικό αριθμό θύρας για κάθε γέφυρα.
Κόστος διαδρομής (PC)
Το κόστος διαδρομής βοηθά στην επιλογή της καλύτερης τοπολογίας όσον αφορά την ταχύτητα προώθησης. Μια σύνδεση με χαμηλότερο εύρος ζώνης έχει υψηλότερο κόστος. Το STP χρησιμοποιεί το κόστος διαδρομής για να επιλέξει τη συντομότερη διαδρομή προς τη ριζική γέφυρα.
Μη καθορισμένο λιμάνι
Μια μη καθορισμένη θύρα είναι μια θύρα διακόπτη που είναι αποκλεισμένη, η οποία ονομάζεται επίσης αποκλεισμένη ή εναλλακτική θύρα. Δεν μπορεί να προωθήσει πλαίσια στον επόμενο διακόπτη και δεν συμπληρώνει τον πίνακα διευθύνσεων MAC.
RSTP
Το πρωτόκολλο Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) είναι ένα πρωτόκολλο δικτύου που εξασφαλίζει μια τοπολογία χωρίς βρόχους για δίκτυα Ethernet και συγκλίνει πολύ πιο γρήγορα από το αρχικό STP.
Μονάδες δεδομένων πρωτοκόλλου γέφυρας (BPDU)
Το πρωτόκολλο Spanning Tree απαιτεί από τις συσκευές δικτύου να ανταλλάσσουν μηνύματα, ώστε να μπορούν να σχηματίσουν μια λογική τοπολογία χωρίς βρόχους. Αυτά τα μηνύματα ονομάζονται BPDU (Bridge Protocol Data Units). Κάθε συσκευή δικτύου στέλνει BPDU για κοινή χρήση πληροφοριών τοπολογίας.
Τα BPDU βοηθούν τους διακόπτες να κάνουν τα εξής:
- Επιλέξτε έναν μόνο διακόπτη που θα λειτουργεί ως ρίζα του δέντρου επέκτασης.
- Υπολογίστε τη συντομότερη διαδρομή από κάθε διακόπτη στον διακόπτη ρίζας, ορίζοντας έναν διακόπτη ως τον πλησιέστερο στη ρίζα για κάθε τμήμα LAN.
- Επιλέξτε μία θύρα σε κάθε διακόπτη ως ριζική θύρα (αν δεν είναι ο ριζικός διακόπτης).
- Προσδιορίστε τις θύρες που αποτελούν μέρος του δέντρου επέκτασης ως καθορισμένες θύρες.
- Αποκλείστε τις μη καθορισμένες θύρες.
Διαμόρφωση BPDU
Ένα BPDU διαμόρφωσης φέρει το αναγνωριστικό γέφυρας της ριζικής συσκευής, το αναγνωριστικό γέφυρας της transmitγέφυρα ting και ένα αναγνωριστικό του transmitθύρα ting.
Ειδοποίηση αλλαγής τοπολογίας (TCN) BPDU
Ένα TCN BPDU αποστέλλεται από έναν διακόπτη προς τη ριζική γέφυρα όταν ανιχνεύει μια αλλαγή στην τοπολογία του δικτύου, όπως μια σύνδεση που ανεβαίνει ή κατεβαίνει. Στη συνέχεια, η ριζική γέφυρα δίνει εντολή σε κάθε διακόπτη να μειώσει τον χρόνο γήρανσης του πίνακα διευθύνσεων MAC, έτσι ώστε οι παλιές καταχωρήσεις να διαγράφονται γρήγορα.
Διαφορές μεταξύ STP και RSTP
Ο παρακάτω πίνακας επισημαίνει τις βασικές διαφορές μεταξύ STP και RSTP:
| STP | RSTP |
|---|---|
| Στο STP, μια γέφυρα στέλνει ένα BPDU μόνο όταν λαμβάνει ένα στη ριζική της θύρα από τη ριζική γέφυρα. | Το RSTP επιτρέπει σε κάθε διακόπτη να στέλνει ένα BPDU σε κάθε διάστημα hello. |
| Το STP ορίζει δύο ρόλους θύρας: τη ριζική θύρα και την καθορισμένη θύρα. | Το RSTP προσθέτει δύο ακόμη ρόλους: την εναλλακτική θύρα και την εφεδρική θύρα. |
Πίνακας αναφοράς καταστάσεων λιμένα STP
Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει κάθε κατάσταση θύρας STP, εάν επεξεργάζεται BPDU και εάν μαθαίνει διευθύνσεις MAC:
| Κατάσταση | Περιγραφή | Επεξεργασία BPDU | Μάθετε MAC |
|---|---|---|---|
| Μέσα σε αυτό | Αρχικοποίηση λιμένα. | Οχι | Οχι |
| ανάπηρος | Διοικητική κατάσταση που δεν συμμετέχει σε τυπικές λειτουργίες STP. | Οχι | Οχι |
| κλείδωμα | Η θύρα δεν προωθεί πλαίσια Ethernet. | Ναι (λαμβάνει και επεξεργάζεται μόνο BPDU) | Οχι |
| Ακούγοντας | Η τοπολογία χωρίς βρόχους υπολογίζεται σε αυτήν την κατάσταση και στη θύρα ανατίθεται ο ρόλος της. | Ναι (αποστέλλει και λαμβάνει BPDU) | Οχι |
| Μάθηση | Μια πρόσθετη κατάσταση που καθυστερεί την προώθηση πλαισίων για να αποφευχθεί η υπερχείλιση του δικτύου. | Ναι | Ναι (συμπληρώνει τον πίνακα διευθύνσεων MAC) |
| Προώθηση | Κανονική λειτουργία, προώθηση πλαισίων Ethernet. | Ναι | Ναι |
