STP – Spanning Tree Protocol Explained

Mikä on STP?

Spanning Tree Protocol (STP) on linkinhallintaprotokolla, joka on suunniteltu tukemaan redundantteja linkkejä ja estämään verkon silmukoiden kytkentää. Se on Kerros 2 protokolla, joka toimii silloissa ja kytkimissä ja jonka on oltava käytössä kytkimen rajapinnoissa. IEEE standardoi sen nimellä IEEE 802.1D.

Miksi tarvitsemme STP:tä?

Redundantit linkit parantavat vikasietoisuutta, mutta ilman silmukoiden estämismekanismia ne voivat myös luoda vaarallisia kytkentäsilmukoita. Tässä ovat tilanteet, joissa Spanning Tree Protocol on tärkeä:

• Verkon luotettavuus (vikasietoisuus) paranee merkittävästi redundanssin käyttöönoton myötä.
• Kytkii tulvaliikenteen pois kaikista porteista, kun sen on saavuttava vielä tuntemattomaan määränpäähän.
• Lähetys- ja monilähetysliikenne välitetään kaikista muista porteista paitsi siitä, johon se saapui.
• STP luo silmukattoman loogisen topologian fyysisestä topologiasta, joka sisältää silmukoita.

Kuinka STP toimii? Esimerkki

Virittävä puu käyttää algoritmia etsiäkseen tarpeettomia linkkejä LAN ja valitsee parhaat polut. Se asettaa jokaisen linkin joko edelleenlähetys- tai estotilaan.

Tämän prosessin jälkeen linkit, joilla ei ole redundanttia vaihtoehtoa, pysyvät edelleenlähetystilassa. Redundantit linkit, joita ei valittu parhaaksi poluksi, asetetaan estotilaan. Spanning Tree ei koskaan käytä useita linkkejä samaan kohteeseen, joten se ei tarjoa kuormituksen jakamista.

STP-tyypit

Tässä on erityyppisiä Spanning Tree -protokollia:

Standard	Tuotetiedot	Lyhenne
IEEE 802.1D	Silmukoiden esto; puun automaattinen uudelleenkonfigurointi minkä tahansa muutoksen jälkeen; hidas konvergenssi (jopa 50 sekuntia)	STP
IEEE 802.1w — Nopea virityspuuprotokolla	Parannettu STP nopeammalla konvergenssilla; taaksepäin yhteensopiva STP:n kanssa	RSTP
IEEE 802.1Q — Virtuaalinen lähiverkko	Määrittelee yhden yhteisen virityspuun kaikille VLAN-verkoille	CST
Cisco oma — VLAN-kohtainen virityspuu	Yksi STP-instanssi VLANia kohden; PVST+ on PVST:n parannettu versio	PVST+
Cisco oma — VLAN-kohtainen nopea virityspuu	Nopea VLAN-kohtainen konvergenssi	PVRST+ / R-PVST+
IEEE 802.1s — Usean virityspuun protokolla	Useita VLAN-verkkoja yhdistetty yhteen STP-instanssiin	MSTP

Virtaavan puun kriteerit

Kolme kriteeriä päättää, mitkä rajapinnat sijoitetaan edelleenlähetystilaan:

• Kaikki juurisillan rajapinnat asetetaan edelleenlähetystilaan.
• Muille kuin juurisillalle lähimpänä oleva portti (alhaisin reittikustannus) asetetaan edelleenlähetystilaan.
• Siltaa, jolla on alhaisimmat reittikustannukset segmentin juurisillalle, kutsutaan nimetyksi sillaksi.

STP-protokollan vaiheet

Spanning Tree -portti siirtyy useiden tilojen läpi ennen liikenteen välittämistä, kuten alla oleva kaavio osoittaa:

Estotila

Estoportti on nimeämätön portti, joka ei koskaan osallistu kehyksen edelleenlähetykseen. Sen ajastin on 20 sekuntia (suurin sallittu aika). Rajapinta siirtyy aina estotilaan, kun STP otetaan käyttöön.

Kuuntelutila

Kuuntelutila on ensimmäinen siirtymätila, johon portti siirtyy eston jälkeen. Tässä portti määrittää, osallistuuko se kehyksen edelleenlähetykseen. Kuuntelutila suorittaa seuraavat toiminnot:

• Hylkää portissa vastaanotetut kehykset
• Ei opi MAC-osoitteita
• Vastaanottaa BPDU:t

Oppiva tila

Oppimistila valmistelee portin osallistumaan kehyksen edelleenlähetykseen. Portti siirtyy oppimistilaan kuuntelutilasta ja suorittaa seuraavat toiminnot:

• Hylkää portissa vastaanotetut kehykset
• Vastaanottaa BPDU:t
• Oppii MAC-osoitteet

Edelleenlähettävä valtio

Edelleenlähetystilassa oleva portti välittää kehyksiä. Se siirtyy oppimistilasta edelleenlähetystilaan ja suorittaa seuraavat toiminnot:

• Vastaanottaa ja välittää portissa vastaanotetut kehykset
• Oppii MAC-osoitteet
• Vastaanottaa BPDU:t

Vammainen valtio

Käytöstä poistettu portti ei osallistu Spanning Tree -rakenteeseen, koska se on hallinnollisesti suljettu; sen aika on rajoittamaton. Käytöstä poistettu rajapinta suorittaa seuraavat toiminnot:

• Hylkää portissa vastaanotetut kehykset
• Ei opi MAC-osoitteita
• Ei vastaanota BPDU:ita

Tärkeitä termejä, joita käytetään Spanning Tree Protocolissa

Tässä on joitakin STP:ssä käytettyjä tärkeitä termejä:

Silta

Silta on tärkeä STP:n osa, joka yhdistää kaksi tai useampia lähiverkon segmenttejä.

Root Bridge (RB)

Juurisilta tarjoaa yhteenliitäntäpisteen kaikille segmenteille, ja jokaisella lähiverkon sillalla on siihen polku. STP valitsee juurisillan automaattisesti, vaikka verkonvalvoja voi muuttaa sitä tarvittaessa.

Non-Root Bridge (NRB)

Ei-juurisilta on mikä tahansa silta, joka ei ole juurisilta.

Juuriportti (RP)

Juuriportti on portti, joka johtaa kohti juurisiltaa.

Nimetty satama (DP)

Jokaisella lähiverkon segmentillä on yksi nimetty portti. Jokainen silta vastaanottaa kehyksiä nimetyssä portissaan ja välittää ne juuriporttinsa kautta juurisiltaa kohti.

Portin tunnus

Porttitunnus auttaa päättämään juuriportin. Se koostuu konfiguroitavasta yhden tavun prioriteettiarvosta ja kunkin sillan yksilöllisestä porttinumerosta.

Reitin hinta (PC)

Reittikustannus auttaa valitsemaan parhaan topologian välitysnopeuden suhteen; pienemmän kaistanleveyden omaavalla linkillä on korkeammat kustannukset. STP käyttää reittikustannusta valitakseen lyhimmän reitin juurisillalle.

Ei-nimetty satama

Ei-määrätty portti on estetty kytkimen portti, jota kutsutaan myös estetyksi tai vaihtoehtoiseksi portiksi. Se ei voi välittää kehyksiä seuraavalle kytkimelle eikä täytä MAC-osoitetaulukkoa.

RSTP

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) on verkkoprotokolla, joka varmistaa silmukkattoman topologian Ethernet-verkoissa ja konvergoi paljon nopeammin kuin alkuperäinen STP.

Bridge Protocol Data Units (BPDU)

Spanning Tree Protocol edellyttää verkkolaitteiden viestien vaihtoa, jotta ne voivat muodostaa silmukattoman loogisen topologian. Näitä viestejä kutsutaan BPDU:iksi (Bridge Protocol Data Units). Jokainen verkkolaite lähettää BPDU:ita jakaakseen topologiatietoja.

BPDU:t auttavat kytkimiä tekemään seuraavat asiat:

• Valitse yksi kytkin toimimaan virittävän puun juurena.
• Laske lyhin reitti kustakin kytkimestä juurikytkimeen ja nimeä yksi kytkin lähimpänä juurta jokaista lähiverkon segmenttiä kohden.
• Valitse kustakin kytkimestä yksi portti sen juuriporttiksi (jos se ei ole juurikytkin).
• Tunnista virityspuuhun kuuluvat portit nimetyiksi porteiksi.
• Estä nimeämättömät portit.

BPDU:n määritys

Konfiguraatio-BPDU sisältää juurilaitteen siltatunnuksen, transmitsillan ja sen tunnisteen transmitting-portti.

Topologian muutosilmoitus (TCN) BPDU

Kytkin lähettää TCN BPDU:n juurisiltaa kohti, kun se havaitsee muutoksen verkon topologiassa, kuten linkin muutoksen. Juurisilta käskee sitten jokaista kytkintä lyhentämään MAC-osoitetaulukon vanhenemisaikaa, jotta vanhentuneet merkinnät poistetaan nopeasti.

Erot STP:n ja RSTP:n välillä

Alla oleva taulukko korostaa STP:n ja RSTP:n tärkeimmät erot:

STP	RSTP
STP:ssä silta lähettää BPDU:n vain, kun se vastaanottaa sellaisen juuriporttiinsa juurisillalta.	RSTP mahdollistaa jokaisen kytkimen lähettää BPDU:n jokaisella hello-intervallilla.
STP määrittelee kaksi porttiroolia: juuriportin ja nimetyn portin.	RSTP lisää kaksi uutta roolia: vaihtoehtoisen portin ja varaportin.

STP-satamavaltioiden viitetaulukko

Seuraava taulukko yhteenvetää jokaisen STP-portin tilan, käsitteleekö se BPDU:ita ja oppiiko se MAC-osoitteet:

Osavaltio	Tuotetiedot	Prosessoi BPDU:t	Opi MAC
Sen sisällä	Portin alustaminen.	Ei	Ei
Vammaiset	Hallinnollinen osavaltio, joka ei osallistu STP:n vakiotoimintoihin.	Ei	Ei
Esto	Portti ei välitä Ethernet-kehyksiä.	Kyllä (vastaanottaa ja käsittelee vain BPDU:ita)	Ei
Kuunteleminen	Silmukaton topologia lasketaan tässä tilassa ja portille annetaan sen rooli.	Kyllä (lähettää ja vastaanottaa BPDU-yksiköitä)	Ei
Kuinka Oppia	Lisätila, joka viivyttää kehyksen edelleenlähetystä verkon ylikuormituksen välttämiseksi.	Kyllä	Kyllä (täyttää MAC-osoitetaulukon)
Huolinta	Normaali toiminta, Ethernet-kehysten välitys.	Kyllä	Kyllä

UKK