STP – Spiegazione del protocollo Spanning Tree

By: Bryce Leo Bryce Leo
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⚡ Riepilogo intelligente

Il protocollo Spanning Tree (STP) è uno standard di gestione dei collegamenti di livello 2, IEEE 802.1D, che previene i loop di commutazione nelle reti con collegamenti ridondanti eleggendo un bridge radice e bloccando le porte di backup.

  • 🔁 Scopo: STP crea una topologia logica senza cicli da una rete fisica che contiene ridondanti, potenzialmente senza cicliping collegamenti.
  • 🌉 Ponte di radice: Gli switch si scambiano BPDU per eleggere un bridge radice, il punto di riferimento verso cui ogni altro switch misura il percorso più breve.
  • 🧱 Stati portuali: Ciascuna porta attraversa le fasi di blocco, ascolto, apprendimento e inoltro, oltre a uno stato disabilitato per le porte disattivate.
  • ⚡ RSTP: Il protocollo Rapid Spanning Tree (802.1w) converge in pochi secondi, mentre il classico STP può impiegare fino a 50 secondi.
  • 📊 varianti: Gli standard includono STP, RSTP, MSTP (802.1s) e Cisco PVST+ e PVRST+ per gli alberi per VLAN.
  • 🤖 Assistenza AI: Gli strumenti di apprendimento automatico individuano più rapidamente i cambiamenti di topologia improvvisi e le condizioni di loop rispetto all'analisi manuale dei log.
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Spiegazione del protocollo Spanning Tree (STP).

Cos'è STP?

Il protocollo Spanning Tree (STP) è un protocollo di gestione dei collegamenti progettato per supportare collegamenti ridondanti prevenendo al contempo i loop di commutazione nella rete. È un Strato 2 Protocollo che opera su bridge e switch e deve essere abilitato sulle interfacce degli switch. È stato standardizzato dall'IEEE come IEEE 802.1D.

Perché abbiamo bisogno dell’STP?

I collegamenti ridondanti migliorano la tolleranza ai guasti, ma senza un meccanismo di prevenzione dei loop possono anche creare pericolosi loop di commutazione. Ecco le situazioni in cui il protocollo Spanning Tree diventa importante:

  • L'affidabilità (tolleranza ai guasti) della rete aumenta significativamente grazie all'introduzione della ridondanza.
  • Gli switch instradano il traffico in uscita da tutte le porte quando questo deve raggiungere una destinazione ancora sconosciuta.
  • Il traffico broadcast e multicast viene inoltrato da tutte le porte tranne quella di arrivo.
  • STP crea una topologia logica priva di cicli a partire da una topologia fisica che contiene cicli.

Come funziona l'STP? Esempio

L'albero di copertura utilizza un algoritmo per cercare i collegamenti ridondanti nell' LAN e seleziona i percorsi migliori. Imposta ogni collegamento in uno stato di inoltro o di blocco.

Dopo questo processo, i collegamenti senza un'alternativa ridondante rimangono nello stato di inoltro. I collegamenti ridondanti che non sono stati selezionati come percorso migliore vengono impostati su bloccante. Spanning Tree non utilizza mai più collegamenti verso la stessa destinazione, quindi non offre alcuna condivisione del carico.

Tipi di STP

Ecco i diversi tipi di protocolli Spanning Tree:

Standard Descrizione Abbreviazione
IEEE 802.1D Prevenzione dei cicli; riconfigurazione automatica dell'albero dopo ogni modifica; convergenza lenta (fino a 50 secondi) STP
IEEE 802.1w — Protocollo Rapid Spanning Tree STP migliorato con convergenza più rapida; retrocompatibile con STP RSTP
IEEE 802.1Q — Rete LAN virtuale Definisce un albero di copertura comune per tutte le VLAN CST
Cisco proprietario — Spanning Tree per VLAN Un'istanza STP per VLAN; PVST+ è una variante migliorata di PVST PVST+
Cisco proprietario — Rapid Spanning Tree per VLAN Convergenza rapida per VLAN PVRST+ / R-PVST+
Protocollo IEEE 802.1s — Multiple Spanning Tree Più VLAN mappate a una singola istanza STP MSTP

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Criteri per l'albero di copertura

Tre criteri determinano quali interfacce vengono poste nello stato di inoltro:

  • Tutte le interfacce sul bridge radice vengono impostate in stato di inoltro.
  • Per i bridge che non sono il bridge radice, la porta più vicina al bridge radice (con il costo del percorso più basso) viene posta in stato di inoltro.
  • Il ponte con il costo di percorso più basso verso il ponte radice su un segmento è noto come ponte designato.

Fasi del protocollo STP

Una porta Spanning Tree attraversa diversi stati prima di inoltrare il traffico, come mostrato nel diagramma seguente:

Transizioni di stato della porta STP dal blocco all'ascolto e all'apprendimento fino all'inoltro

Stato bloccante

Una porta di blocco è una porta non designata che non partecipa mai all'inoltro dei frame. Il suo timer è di 20 secondi (il valore max-age). Un'interfaccia entra sempre nello stato di blocco quando si abilita STP.

Stato di ascolto

Lo stato di ascolto è il primo stato transitorio in cui una porta entra dopo il blocco. In questo stato, la porta determina se deve partecipare all'inoltro dei frame. Lo stato di ascolto svolge le seguenti funzioni:

  • Scarta i frame ricevuti sulla porta
  • Non apprende gli indirizzi MAC
  • Riceve BPDU

Stato di apprendimento

Lo stato di apprendimento prepara la porta a partecipare all'inoltro dei frame. Una porta passa dallo stato di ascolto allo stato di apprendimento ed esegue le seguenti funzioni:

  • Scarta i frame ricevuti sulla porta
  • Riceve BPDU
  • impara Indirizzi MAC

Stato di inoltro

Una porta nello stato di inoltro inoltra i frame. Passa dallo stato di apprendimento allo stato di inoltro ed esegue le seguenti funzioni:

  • Riceve e inoltra i frame ricevuti sulla porta
  • Apprende gli indirizzi MAC
  • Riceve BPDU

Stato disabilitato

Una porta disabilitata non partecipa allo Spanning Tree perché è stata disattivata amministrativamente; il suo tempo di utilizzo è illimitato. Un'interfaccia disabilitata svolge le seguenti funzioni:

  • Scarta i frame ricevuti sulla porta
  • Non apprende gli indirizzi MAC
  • Non riceve BPDU

Termini importanti utilizzati nel protocollo Spanning Tree

Ecco alcuni termini importanti utilizzati in STP:

Ponte

Un bridge è un componente importante di STP che collega due o più segmenti LAN.

Ponte Radice (RB)

Il bridge radice offre un punto di interconnessione per tutti i segmenti e ogni bridge in una LAN ha un percorso verso di esso. STP seleziona automaticamente il bridge radice, sebbene un amministratore di rete possa modificarlo quando necessario.

Ponte non root (NRB)

Un ponte non radice è qualsiasi ponte che non sia il ponte radice.

Porta root (RP)

La porta radice è la porta che conduce al bridge radice.

Porta designata (DP)

Ogni segmento LAN ha una porta designata. Ciascun bridge riceve i frame sulla propria porta designata e li inoltra tramite la propria porta radice verso il bridge radice.

ID porta

L'ID della porta aiuta a determinare la porta radice. Consiste in un valore di priorità configurabile di 1 byte e in un numero di porta univoco per ogni bridge.

Costo del percorso (PC)

Il costo del percorso aiuta a decidere la topologia migliore in termini di velocità di inoltro; un collegamento a larghezza di banda inferiore comporta un costo maggiore. STP utilizza il costo del percorso per scegliere il percorso più breve verso il bridge radice.

Porto non designato

Una porta non designata è una porta di switch bloccata, detta anche porta bloccata o alternativa. Non può inoltrare i frame allo switch successivo e non viene inserita nella tabella degli indirizzi MAC.

RSTP

Il Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) è un protocollo di rete che garantisce una topologia senza cicli per le reti Ethernet e converge molto più velocemente rispetto all'originale STP.

Unità dati protocollo bridge (BPDU)

Il protocollo Spanning Tree richiede che i dispositivi di rete si scambino messaggi per poter formare una topologia logica priva di cicli. Questi messaggi sono chiamati BPDU (Bridge Protocol Data Units). Ogni dispositivo di rete invia BPDU per condividere le informazioni sulla topologia.

I BPDU aiutano gli switch a svolgere le seguenti funzioni:

  • Selezionare un singolo switch che funga da radice dell'albero di copertura.
  • Calcola il percorso più breve da ciascuno switch allo switch radice, designando uno switch come il più vicino alla radice per ogni segmento LAN.
  • Selezionare una porta su ciascuno switch come porta radice (se non è già lo switch radice).
  • Identificare le porte che fanno parte dello spanning tree come porte designate.
  • Blocca le porte non designate.

Configurazione BPDU

Un BPDU di configurazione trasporta l'ID del bridge del dispositivo radice, l'ID del bridge del transmitponte di ting e un identificatore del transmitporta di ting.

Notifica di modifica della topologia (TCN) BPDU

Un BPDU TCN viene inviato da uno switch al root bridge quando rileva una modifica nella topologia di rete, ad esempio l'attivazione o la disattivazione di un collegamento. Il root bridge quindi istruisce ogni switch ad abbreviare il tempo di invecchiamento della propria tabella degli indirizzi MAC, in modo che le voci obsolete vengano eliminate rapidamente.

Differenze tra STP e RSTP

La tabella seguente evidenzia le principali differenze tra STP e RSTP:

STP RSTP
In STP, un bridge invia un BPDU solo quando ne riceve uno sulla sua porta radice dal bridge radice. RSTP consente a ciascuno switch di inviare un BPDU a ogni intervallo di hello.
STP definisce due ruoli per le porte: porta radice e porta designata. RSTP aggiunge altri due ruoli: la porta alternativa e la porta di backup.

Tabella di riferimento degli stati portuali STP

La tabella seguente riassume lo stato di ciascuna porta STP, indicando se elabora i BPDU e se apprende gli indirizzi MAC:

Regione / Stato Descrizione Elaborare BPDU Impara il MAC
Dentro Inizializzazione di una porta. Non Non
disabile Stato amministrativo che non partecipa alle operazioni standard dell'STP. Non Non
Prodotti di blocco La porta non inoltra i frame Ethernet. Sì (riceve ed elabora solo BPDU) Non
Ascolto In questo stato viene calcolata la topologia senza cicli e alla porta viene assegnato il suo ruolo. Sì (invia e riceve BPDU) Non
Formazione Uno stato aggiuntivo che ritarda l'inoltro dei frame per evitare di sovraccaricare la rete. Si Sì (popola la tabella degli indirizzi MAC)
Spedizione Funzionamento normale, inoltro dei frame Ethernet. Si Si

DOMANDE FREQUENTI

Ogni switch pubblicizza un ID bridge composto da un valore di priorità (predefinito 32768) e dal suo indirizzo MAC. Lo switch con l'ID bridge più basso diventa il bridge radice; in caso di parità di priorità, prevale l'indirizzo MAC più basso.

Lo standard 802.1D classico utilizza tre timer: un tempo di hello di 2 secondi, un ritardo di 15 secondi per gli stati di ascolto e apprendimento e un'età massima di 20 secondi. La convergenza completa può richiedere dai 30 ai 50 secondi.

BPDU Guard protegge le porte di accesso (edge) che non dovrebbero mai ricevere BPDU. Se una di queste porte ne riceve una, lo switch la sposta immediatamente in uno stato err-disabled, stopping Interruttori difettosi o loop accidentali che destabilizzano la topologia.

PortFast consente a una porta di accesso di saltare le fasi di ascolto e apprendimento e passare direttamente all'inoltro. Utilizzalo solo su porte connesse a dispositivi finali come PC o server, mai su collegamenti tra switch.

Senza STP, collegamenti ridondanti tra interruttori Si creano cicli di bridging. I frame circolano all'infinito, innescando tempeste di broadcast, frame duplicati e instabilità della tabella degli indirizzi MAC che possono rapidamente sovraccaricare e mandare in crash l'intera LAN.

Sì. Gli switch moderni utilizzano RSTP o MSTP di default perché la convergenza avviene in pochi secondi. I grandi data center integrano sempre più spesso tecnologie di routing o fabric di livello 3 come TRILL, SPB ed EVPN-VXLAN, ma STP continua a proteggere il livello 2 dai loop.

Gli strumenti di apprendimento automatico definiscono la baseline dell'attività normale di BPDU e di cambiamento di topologia, quindi segnalano anomalie come improvvise inondazioni di TCN o un'oscillazioneping Root Bridge. Questo accelera l'analisi delle cause principali, sebbene un ingegnere debba comunque confermare e applicare la soluzione.

Copilota GitHub bozze Cisco iOS, Ansible o Python Frammenti di codice per attività come l'impostazione della priorità del bridge o l'abilitazione di PortFast da un breve commento. Esaminare sempre i comandi generati prima di applicarli agli switch di produzione.

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