STP

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. oktober 2021; checks kræver 8 redigeringer .
STP
Navn spanning tree protokol
Niveau (ifølge OSI-modellen ) kanaliseret
Oprettet i 1985
Formål med protokollen Eliminer sløjfer i netværkstopologi
Specifikation RSTP, MSTP, SPB
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Spanning Tree Protocol ( STP , spanning tree protocol ) er en kanalprotokol. Hovedopgaven for STP er at eliminere sløjfer i topologien af ​​et vilkårligt Ethernet -netværk , hvor der er en eller flere netværksbroer forbundet med redundante links. STP løser dette problem ved automatisk at blokere forbindelser, der i øjeblikket er redundante for switchernes fulde tilslutningsmuligheder.

Behovet for at eliminere topologiske sløjfer i et Ethernet-netværk følger af det faktum, at deres tilstedeværelse i et rigtigt Ethernet-netværk med en switch med høj sandsynlighed fører til endeløse gentagelser af transmissionen af ​​de samme Ethernet-rammer med en eller flere switches, hvilket er grunden til netværksbåndbredden er næsten fuldstændig optaget af disse ubrugelige gentagelser. under disse forhold, selvom netværket teknisk set kan fortsætte med at fungere, bliver dets ydeevne i praksis så lav, at det kan ligne en fuldstændig fejl i netværket.

STP hører til det andet lag af OSI-modellen . Protokollen er beskrevet i IEEE 802.1D-standarden, udviklet af IEEE 802.1 Working Group on Internetworking. Baseret på algoritmen af ​​samme navn , som er udviklet af Radia Perlman . 

Hvis der er flere stier i et brokoblet netværk (i et netværkssegment af switches), kan der dannes cykliske ruter, og ved at følge simple regler for videresendelse af data over en bro (switch) vil den samme pakke blive transmitteret uendeligt fra én bro til broen. andet (skal transmitteres rundt om ringen fra kontakterne).

Spanning tree-algoritmen giver dig mulighed for automatisk at deaktivere brodannelse på individuelle porte efter behov (blok switch-porte) for at forhindre sløjfe i topologien af ​​pakkevideresendelsesruter. Der kræves ingen yderligere konfiguration for at bruge spanning tree-algoritmen i en netværksbro [1] .

Beskrivelse

Spanning tree-algoritmen er grundlaget for en protokol, der dynamisk deaktiverer redundante links i et Ethernet-netværk (for at danne en trætopologi). STP er standardiseret af IEEE og understøttes af mange modeller af administrerede switche, især er det aktiveret som standard på alle Cisco- switches .

Essensen af ​​protokollen er, at de Ethernet-switche, der understøtter den, udveksler information "om sig selv" med hinanden. Baseret på visse betingelser (normalt i overensstemmelse med indstillingerne) vælges en af ​​switchene som "rod" (eller "rod"), hvorefter alle andre switche, ved hjælp af spanning tree-algoritmen, vælger porte til drift, der er " nærmest" på "rod"-kontakten (antallet af mellemled og linjehastigheder). Alle andre netværksporte, der fører til "root"-switchen, er blokeret. Der dannes således et træ med en rod i den valgte kommutator.

På VLAN-aktiverede Cisco -switches kører STP som standard uafhængigt for hvert virtuelt netværk.

Ud over STP kan switches bruge andre metoder til at detektere og eliminere sløjfer - for eksempel ved at sammenligne switching-tabellerne (lister over MAC-adresser) for forskellige porte, eller ved at sammenligne kontrolsummerne for passerende pakker (et match indikerer de samme pakker som vises på grund af sløjfer). Sammenlignet med de beskrevne metoder, som tilfældigt (eller baseret på nogle gætværk) blokerer "duplikerede" porte, giver STP-protokollen en træstruktur af hele segmentet med et hvilket som helst antal redundante linjer mellem vilkårlige switches, der understøtter STP.

Sådan virker det

  1. Én rodbro er valgt ( engelsk  Root Bridge ).
  2. Dernæst beregner hver switch den korteste vej til roden. Den tilsvarende port kaldes rodporten ( engelsk  Root Port ). Enhver ikke-root-switch kan kun have én rodport.
  3. Derefter beregnes den korteste vej til rodbroen (porten) for hvert netværkssegment, hvortil mere end én bro (eller flere porte på én bro) er knyttet. Broen, som denne sti passerer, bliver udpeget til dette netværk ( Engelsk  Designated Bridge ), og den tilsvarende havn - den udpegede havn ( Engelsk  Designated Port ).
  4. Yderligere, i alle segmenter, hvortil mere end én broport er forbundet, blokerer alle broer alle porte, der ikke er root og tildelt. Resultatet er en træstruktur (matematisk graf ) med et toppunkt i form af en rodkontakt.

Grundlæggende begreber

Transmissionshastighed og vejomkostninger

Transmissionshastighed Pris (802.1D-1998) Pris ( 802.1W-2001 )
4 Mbps 250 5.000.000
10 Mbps 100 2.000.000
16 Mbps 62 1.250.000
100 Mbps 19 200.000
1 Gbps fire 20.000
2 Gbps 3 10.000
10 Gbps 2 2000

Vigtige regler

  1. Rodporten tildeles den port med den laveste stiomkostning.
  2. Der kan være tilfælde, hvor prisen på stien gennem to eller flere porte på switchen vil være den samme, så vil valget af rodporten (rodporten) ske baseret på portens prioritet og serienummer (laveste afsenderport-id ) modtaget fra naboerne [2] , for eksempel fa0/1 , fa0 /2, fa0/3 og root vil være porten med det laveste tal.
  3. Switche måler som standard ikke netværksbelastningstilstanden i realtid og arbejder i henhold til omkostningerne ved grænsefladerne på det tidspunkt, hvor STP-træet bygges.
  4. Hver port har sine egne omkostninger (omkostninger), omvendt proportional med portens båndbredde (båndbredde), og som kan konfigureres manuelt.
  5. Alle porte i STP gennemgår sekventielt 4 tilstande: blokering (lytning til BPDU'er uden at overføre data), lytning (lytning og videregivelse af BPDU'er), læring (modtagelse af data, opdatering af MAC-tabeller), videresendelse (portarbejdstilstand). Med standardintervaller starter portvideresendelse efter 30 sekunder.

  • Efter at have tændt for switchene i netværket, betragter hver switch sig som standard som rod (rod).
  • Hver switch begynder at sende konfigurations Hej BPDU- pakker hvert 2. sekund på alle porte.
  • Hvis en bro modtager en BPDU med et Bridge ID, der er mindre end dens eget, stopper den med at generere sine egne BPDU'er og begynder at videresende BPDU'er med det ID. Således er der i sidste ende kun én bro tilbage i dette Ethernet-netværk, som fortsætter med at generere og transmittere sine egne BPDU'er. Det bliver rodbroen .
  • De resterende broer videresender BPDU'en for rodbroen, tilføjer deres egen identifikator til dem og øger stiomkostningstælleren.
  • For hvert netværkssegment, hvortil to eller flere broporte er knyttet, er en udpeget port defineret - den port, hvorigennem BPDU'er, der kommer fra rodbroen, kommer ind i dette segment.
  • Derefter blokeres alle porte i segmenterne, hvortil 2 eller flere broporte er knyttet, undtagen rodporten og den udpegede port.
  • Rodbroen fortsætter med at sende sine Hello BPDU'er hvert 2. sekund.

Porte

Hver port involveret i STP kan fungere i en af ​​følgende tilstande (roller):

Evolution og ekspansion

Rapid STP (RSTP) er en væsentlig forbedring af STP. Først og fremmest er det nødvendigt at bemærke faldet i konvergenstiden og den højere stabilitet. I høj grad opnås dette på grund af de ideer, Cisco Systems bruger som proprietære udvidelser til STP. RSTP er beskrevet i IEEE 802.1w-standarden (efterfølgende inkluderet i 802.1D-2004).

Rapid STP er STP-kompatibel - hvis en enhed bruger STP, vil RSTP også bruge STP med den enhed, men i denne tilstand kan det være, at tilstedeværelsen af ​​RSTP på andre enheder ikke giver fordele i forhold til STP.

Per-VLAN STP (PVSTP), som navnet antyder, udvider funktionaliteten af ​​STP til at bruge VLAN'er . Inden for rammerne af denne protokol fungerer en separat forekomst af STP i hvert VLAN. Det er en Cisco proprietær udvidelse . Oprindeligt fungerede PVST-protokollen kun gennem ISL - trunks, derefter blev PVST+-udvidelsen udviklet, hvilket gjorde det muligt for den at arbejde gennem de meget mere almindelige 802.1Q- trunker. Der er implementeringer, der kombinerer egenskaberne af PVST+ og RSTP, fordi disse udvidelser påvirker uafhængige dele af protokollen, hvilket resulterer i (i Cisco-terminologi) Rapid PVST+. PVST+ er kompatibel med STP og kommunikerer endda "gennem" switche, der ikke understøtter hverken PVST+ eller Rapid PVST+ ved at bruge multicast-rammer. Cisco Systems anbefaler dog, at du ikke blander switche fra forskellige producenter på det samme netværk for at undgå kompatibilitetsproblemer mellem forskellige STP-implementeringer og variationer.

Ovenstående variationer af STP-protokoller kan klassificeres efter antallet af STP-forekomster i det tilfælde, hvor antallet af VLAN'er er mere end én. Der er protokolvariationer, hvor alle VLAN'er har en enkelt STP-instans (faktisk STP, RSTP), og variationer hvor hvert VLAN har sin egen STP-instans (PVST, PVST+, Rapid PVST+).

En vis redundans af variationer med en separat STP-instans for hvert VLAN er, at hvis topologien af ​​flere VLAN'er er den samme, så gentager de tilsvarende STP-instanser fuldstændig hinandens arbejde. I dette tilfælde, i princippet, bliver unødvendig drift af i det væsentlige at duplikere hinandens forekomster af STP til en unødvendig ekstra belastning på switch-processoren og i sidste ende kan tvinge hardwaredesignere til at vælge en mere kraftfuld processor med højere strømforbrug for at sikre dens stabile drift, hvilket kan medføre ekstra omkostninger til strømforsyning og køling både ved fremstilling af udstyr og i drift.

I denne henseende adskiller Multiple STP (MSTP) sig . Flere VLAN'er kan inkluderes i en MSTP-instans, forudsat at deres topologi er den samme (med hensyn til de switches, der er inkluderet i VLAN'et og forbindelserne mellem dem). Minimumsantallet af MSTP-instanser svarer til antallet af topologisk unikke VLAN-grupper i domænet på andet niveau (igen, på niveauet af switches og forbindelser mellem dem). MSTP pålægger en vigtig begrænsning: alle switche, der deltager i MSTP, skal have de samme konfigurerede VLAN-grupper (MST-instanser), hvilket begrænser fleksibiliteten ved ændring af netværkskonfigurationer.

MSTP er beskrevet i IEEE 802.1s-standarden (efterfølgende inkluderet i 802.1Q-2003).

Shortest Path Bridging (SPB)

Shortest Path Bridging (SPB) IEEE 802.1aq overvinder blokeringsbegrænsninger.

Oprettelseshistorie

Algoritmen bag STP blev udviklet i 1985 af Radia Perlman . Hun fik 1 uge til at udvikle algoritmen. Hun gjorde det på 1 dag, og i den resterende tid beskrev hun algoritmen i form af et digt [3] :

Jeg tror, ​​at jeg aldrig vil se
en graf, der er smukkere end et træ.
Et træ, hvis afgørende egenskab
er sløjfefri forbindelse.
Et træ, der skal være sikker på at spænde,
så pakker kan nå alle LAN.
Først skal roden vælges.
Ved ID er det valgt.
De billigste veje fra root spores.
I træet er disse stier placeret.
Et net er lavet af folk som mig, så
finder broer et spændingstræ.

— Radia Joy Perlman

Noter

  1. ↑ Netværksbro . Dato for adgang: 18. januar 2015. Arkiveret fra originalen 18. januar 2015.
  2. ↑ 802.1d-STP . Hentet 17. marts 2015. Arkiveret fra originalen 2. april 2015.
  3. ↑ An Algorithm for Distributed Computation of a Spanning Tree in a Extended LAN  (utilgængeligt link) , Radia Perlman (DEC), 1985

Links