STP – objaśnienie protokołu drzewa opinającego

Co to jest STP?

Protokół drzewa rozpinającego (STP) to protokół zarządzania łączami zaprojektowany w celu obsługi redundantnych łączy i zapobiegania powstawaniu pętli przełączania w sieci. Warstwa 2 Protokół działający na mostach i przełącznikach, który musi być włączony na interfejsach przełączników. IEEE znormalizowało go jako IEEE 802.1D.

Dlaczego potrzebujemy STP?

Nadmiarowe łącza zwiększają odporność na błędy, ale bez mechanizmu zapobiegającego powstawaniu pętli mogą również tworzyć niebezpieczne pętle przełączania. Oto sytuacje, w których protokół drzewa rozpinającego (STP) staje się istotny:

• Niezawodność (tolerancja błędów) sieci znacząco wzrasta dzięki wprowadzeniu redundancji.
• Przełącza ruch rozpływowy ze wszystkich portów, gdy musi on dotrzeć do miejsca przeznaczenia, którego jeszcze nie znamy.
• Ruch rozgłoszeniowy i wielokierunkowy jest przekazywany z każdego portu, z wyjątkiem tego, na którym dotarł.
• Protokół STP tworzy pozbawioną pętli topologię logiczną na podstawie topologii fizycznej zawierającej pętle.

Jak działa STP? Przykład

Drzewo rozpinające wykorzystuje algorytm do wyszukiwania zbędnych łączy w LAN i wybiera najlepsze ścieżki. Ustawia każde łącze w stanie przekazywania lub blokowania.

Po tym procesie łącza bez redundantnej alternatywy pozostają w stanie przekierowania. Redundantne łącza, które nie zostały wybrane jako najlepsza ścieżka, są blokowane. Protokół Spanning Tree nigdy nie używa wielu łączy do tego samego celu, więc nie zapewnia współdzielenia obciążenia.

Rodzaje STP

Oto różne typy protokołów drzewa rozpinającego:

Standardowe	OPIS	Skrót
IEEE 802.1D	Zapobieganie powstawaniu pętli; automatyczna rekonfiguracja drzewa po każdej zmianie; powolna konwergencja (do 50 sekund)	STP
IEEE 802.1w — protokół Rapid Spanning Tree	Ulepszony protokół STP z szybszą konwergencją; wsteczna kompatybilność z protokołem STP	RSTP
IEEE 802.1Q — wirtualna sieć LAN	Definiuje jedno wspólne drzewo rozpinające dla wszystkich sieci VLAN	CST
Cisco zastrzeżony — drzewo rozpinające na sieć VLAN	Jedna instancja STP na sieć VLAN; PVST+ to ulepszona wersja PVST	PVST+
Cisco zastrzeżony — szybkie drzewo rozpinające na sieć VLAN	Szybka konwergencja na sieć VLAN	PVRST+ / R-PVST+
IEEE 802.1s — protokół Multiple Spanning Tree	Wiele sieci VLAN mapowanych na jedną instancję STP	MSTP

Kryteria drzewa opinającego

O tym, które interfejsy zostaną umieszczone w stanie przekazywania, decydują trzy kryteria:

• Wszystkie interfejsy na moście głównym są przełączane w stan przekazywania.
• W przypadku mostów, które nie są mostami głównymi, port znajdujący się najbliżej mostu głównego (o najniższym koszcie ścieżki) jest przełączany w stan przekazywania.
• Most o najniższym koszcie ścieżki do mostu głównego w segmencie nazywany jest mostem wyznaczonym.

Etapy protokołu STP

Port Spanning Tree przechodzi przez kilka stanów, zanim przekaże ruch, jak pokazano na poniższym diagramie:

Stan blokowania

Port blokujący to port niewyznaczony, który nigdy nie uczestniczy w przekazywaniu ramek. Jego timer wynosi 20 sekund (wartość maksymalna). Interfejs zawsze przechodzi w stan blokowania po włączeniu protokołu STP.

Stan słuchania

Stan nasłuchiwania to pierwszy stan przejściowy, w jaki port wchodzi po zablokowaniu. W tym stanie port decyduje, czy powinien uczestniczyć w przekazywaniu ramek. Stan nasłuchiwania realizuje następujące funkcje:

• Odrzuca ramki odebrane na porcie
• Nie uczy się adresów MAC
• Odbiera jednostki BPDU

Stan uczenia się

Stan uczenia przygotowuje port do udziału w przekazywaniu ramek. Port przechodzi ze stanu nasłuchiwania do stanu uczenia i wykonuje następujące funkcje:

• Odrzuca ramki odebrane na porcie
• Odbiera jednostki BPDU
• Uczy się Adresy MAC

Stan spedycji

Port w stanie przekazywania przekazuje ramki. Przechodzi ze stanu uczenia się do stanu przekazywania i wykonuje następujące funkcje:

• Odbiera i przesyła ramki odebrane przez port
• Uczy się adresów MAC
• Odbiera jednostki BPDU

Stan niepełnosprawny

Wyłączony port nie uczestniczy w drzewie rozpinającym, ponieważ jest wyłączony administracyjnie; jego czas trwania jest nieograniczony. Wyłączony interfejs wykonuje następujące funkcje:

• Odrzuca ramki odebrane na porcie
• Nie uczy się adresów MAC
• Nie odbiera jednostek BPDU

Ważne terminy używane w protokole drzewa opinającego

Oto kilka ważnych terminów używanych w STP:

Most

Most jest ważnym elementem protokołu STP łączącym dwa lub więcej segmentów sieci LAN.

Most główny (RB)

Most główny stanowi punkt połączenia dla wszystkich segmentów, a każdy most w sieci LAN ma do niego ścieżkę. Protokół STP automatycznie wybiera most główny, choć administrator sieci może to zmienić w razie potrzeby.

Most inny niż root (NRB)

Mostem niebędącym mostem głównym nazywamy każdy most, który nie jest mostem głównym.

Port główny (RP)

Port główny to port prowadzący do mostu głównego.

Wyznaczony port (DP)

Każdy segment sieci LAN ma jeden wyznaczony port. Każdy most odbiera ramki na swoim wyznaczonym porcie i przekazuje je przez swój port główny w kierunku mostu głównego.

Identyfikator portu

Identyfikator portu pomaga określić port główny. Składa się z konfigurowalnej 1-bajtowej wartości priorytetu i unikalnego numeru portu dla każdego mostu.

Koszt ścieżki (PC)

Koszt ścieżki pomaga wybrać najlepszą topologię pod względem szybkości przesyłania; łącze o niższej przepustowości wiąże się z wyższym kosztem. Protokół STP wykorzystuje koszt ścieżki do wyboru najkrótszej trasy do mostu głównego.

Port nieoznaczony

Port niewyznaczony to port przełącznika, który jest zablokowany, nazywany również portem zablokowanym lub alternatywnym. Nie może on przekazywać ramek do następnego przełącznika i nie zapełnia tablicy adresów MAC.

RSTP

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) to protokół sieciowy zapewniający topologię bez pętli w sieciach Ethernet i umożliwiający znacznie szybszą konwergencję niż oryginalny STP.

Jednostki danych protokołu mostu (BPDU)

Protokół Spanning Tree wymaga od urządzeń sieciowych wymiany komunikatów, aby mogły utworzyć logiczną topologię bez pętli. Komunikaty te nazywane są jednostkami danych protokołu mostu (BPDU). Każde urządzenie sieciowe wysyła jednostki BPDU, aby udostępniać informacje o topologii.

Jednostki BPDU pomagają przełącznikom wykonywać następujące czynności:

• Wybierz pojedynczy przełącznik, który będzie pełnił funkcję korzenia drzewa rozpinającego.
• Oblicz najkrótszą ścieżkę od każdego przełącznika do przełącznika głównego, wyznaczając jeden przełącznik najbliższy przełącznikowi głównemu dla każdego segmentu sieci LAN.
• Wybierz jeden port na każdym przełączniku jako jego port główny (jeśli nie jest to przełącznik główny).
• Zidentyfikuj porty będące częścią drzewa rozpinającego jako porty wyznaczone.
• Zablokuj porty nie przeznaczone do tego celu.

Konfiguracja BPDU

Jednostka BPDU konfiguracji zawiera identyfikator mostu urządzenia głównego, identyfikator mostu urządzenia głównego transmitmostek i identyfikator transmitport tingowy.

Powiadomienie o zmianie topologii (TCN) BPDU

Jednostka TCN BPDU jest wysyłana przez przełącznik w kierunku mostu głównego po wykryciu zmiany w topologii sieci, takiej jak nawiązanie lub zerwanie łącza. Most główny instruuje następnie wszystkie przełączniki, aby skróciły czas starzenia się tablicy adresów MAC, dzięki czemu nieaktualne wpisy są szybko usuwane.

Różnice pomiędzy STP i RSTP

Poniższa tabela przedstawia najważniejsze różnice między protokołami STP i RSTP:

STP	RSTP
W protokole STP most wysyła jednostkę BPDU tylko wtedy, gdy odbierze ją na swoim porcie głównym od mostu głównego.	Protokół RSTP umożliwia każdemu przełącznikowi wysyłanie pakietu BPDU w każdym interwale hello.
Protokół STP definiuje dwie role portu: port główny i port wyznaczony.	RSTP dodaje dwie dodatkowe role: port alternatywny i port zapasowy.

Tabela referencyjna stanów portów STP

Poniższa tabela podsumowuje stan każdego portu STP, informację, czy przetwarza on jednostki BPDU i czy uczy się adresów MAC:

Miasto	OPIS	Przetwarzaj jednostki BPDU	Naucz się MACa
W tym	Inicjalizacja portu.	Nie	Nie
Niepełnosprawni	Państwo administracyjne nieuczestniczące w standardowych operacjach STP.	Nie	Nie
Blokowanie	Port nie przekazuje ramek Ethernet.	Tak (odbiera i przetwarza tylko jednostki BPDU)	Nie
Słuchanie	W tym stanie obliczana jest topologia bez pętli, a portowi przypisywana jest jego rola.	Tak (wysyła i odbiera jednostki BPDU)	Nie
Nauka	Dodatkowy stan opóźniający przekazywanie ramek w celu uniknięcia przepełnienia sieci.	Tak	Tak (uzupełnia tabelę adresów MAC)
Przekierowanie	Normalna praca, przekazywanie ramek Ethernet.	Tak	Tak

FAQ