STP. ang. Spanning Tree Protocol. dr inż. Gerard Bursy

Transkrypt

1 STP ang. Spanning Tree Protocol dr inż. Gerard Bursy

2 STP ang. Spanning Tree Protocol Protokół drzewa rozpinającego (ang. Spanning Tree Protocol STP), sporządzony przez IEEE (ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers) opisany w dokumencie (IEEE 802.1d). Jest to protokół wykorzystywany przez sieci komputerowe (np. LAN) w drugiej warstwie modelu sieciowego ISO/OSI. STP obsługiwany jest przez przełączniki (ang. network switch) i mostki sieciowe (ang. network bridge). Stworzony dla zwiększenia niezawodności środowisk sieciowych, umożliwia on konfigurację tych urządzeń w sposób zapobiegający powstawaniu pętli. Protokół ten tworzy graf bez pętli (drzewo) i ustala zapasowe łącza, w trakcie normalnej pracy sieci blokuje je tak, by nie przekazywały one żadnych danych, wykorzystywana jest tylko jedna ścieżka, po której może odbywać się komunikacja. Na szczycie grafu znajduje się główny przełącznik tzw. korzeń (ang. root), zarządzający siecią. Korzeniem zostaje przełącznik na podstawie identyfikatora. W momencie, gdy STP wykryje problem, np. zerwany link, to rekonfiguruje sieć uaktywniając łącze zapasowe, potrzebuje na to ok. 30 do 60 sekund.

3 STP ang. Spanning Tree Protocol Protokół drzewa rozpinającego (ang. Spanning Tree Protocol STP), sporządzony przez IEEE (ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers) opisany w dokumencie (IEEE 802.1d). Jest to protokół wykorzystywany przez sieci komputerowe (np. LAN) w drugiej warstwie modelu sieciowego ISO/OSI. STP obsługiwany jest przez przełączniki (ang. network switch) i mostki sieciowe (ang. network bridge). Stworzony dla zwiększenia niezawodności środowisk sieciowych, umożliwia on konfigurację tych urządzeń w sposób zapobiegający powstawaniu pętli. Protokół ten tworzy graf bez pętli (drzewo) i ustala zapasowe łącza, w trakcie normalnej pracy sieci blokuje je tak, by nie przekazywały one żadnych danych, wykorzystywana jest tylko jedna ścieżka, po której może odbywać się komunikacja. Na szczycie grafu znajduje się główny przełącznik tzw. korzeń (ang. root), zarządzający siecią. Korzeniem zostaje przełącznik na podstawie identyfikatora. W momencie, gdy STP wykryje problem, np. zerwany link, to rekonfiguruje sieć uaktywniając łącze zapasowe, potrzebuje na to ok. 30 do 60 sekund.

4 STP wersje, tryby pracy Poprawkami do STP są protokoły: RSTP (ang. Rapid Spanning Tree Protocol, IEEE 802.1w) zapewnia krótszy czas przywracania sprawności połączeń po awarii. MSTP (ang. Multiple Spanning Tree Protocol, IEEE 802.1s) umożliwia równoważenie obciążenia i zwiększa odporność sieci na błędy dzięki zapewnieniu wielu ścieżek przekazywania ruchu danych. SPB (ang. Shortest Path Bridging, IEEE 802.1aq) technologia sieci komputerowych wprowadzona dla zwiększenia niezawodności środowisk sieciowych, umożliwia on konfigurację urządzeń sieciowych w sposób zapobiegający powstawaniu pętli. Rozwiązanie często stosowane w sieciach, w których jest wymagana wysoka bezawaryjność. Porty przełącznika w topologii STP przyjmują pięć stanów od których zależy, w jaki sposób protokół MAC przetwarza i transmituje ramki. Port aktywny (ang. Listening). Uczenie się adresów MAC (ang. Learning). Przekazywanie ramek (ang. Forwarding). Port zablokowany (ang. Blocking). Odrzucanie ramek (ang. Discarding).

5 STP pojęcia (BPDU) Bridge Protocol Data Units (BPDUs) określenie ramki używanej w protokole drzewa rozpinającego. Przełączniki wysyłają komunikaty nazywane jednostkami BPDU (ang. Bridge Protocol Data Unit) umożliwiające utworzenie topologii logicznej bez pętli. Jednostki BPDU są odbierane nawet na zablokowanych portach. Zapewnia to możliwość wyliczenia nowego drzewa opinającego w przypadku awarii urządzenia lub ścieżki aktywnej. Jednostki BPDU zawierają informacje, dzięki którym przełączniki mogą wykonywać określone zadania: Wybrać jeden przełącznik główny, który będzie pełnił rolę korzenia drzewa opinającego. Obliczyć najkrótszą ścieżkę od danego przełącznika do przełącznika głównego. W każdym segmencie sieci lokalnej wyznaczyć przełącznik, który w topologii będzie najbliżej przełącznika głównego. Przełącznik ten jest nazywany przełącznikiem wyznaczonym (ang. designated switch). Przełącznik wyznaczony obsługuje całą komunikację między daną siecią lokalną a mostem głównym. Wybrać jeden ze swoich portów jako port główny (dla każdego przełącznika oprócz przełącznika głównego). Jest to interfejs, przez który prowadzi najlepsza ścieżkę do przełącznika głównego. Wybrać porty, które są częściami drzewa rozpinającego. Te porty noszą nazwę portów wyznaczonych (ang. designated ports). Porty inne niż porty wyznaczone są blokowane. W przełącznikach rozsyłana jest ramka BPDU za pomocą unikalnego adresu MAC, na adres multicastowy 01:80:C2:00:00:00.

6 STP pojęcia (BPDU) Bridge Protocol Data Units (BPDUs) określenie ramki używanej w protokole drzewa rozpinającego. Przełączniki wysyłają komunikaty nazywane jednostkami BPDU (ang. Bridge Protocol Data Unit) umożliwiające utworzenie topologii logicznej bez pętli. Jednostki BPDU są odbierane nawet na zablokowanych portach. Zapewnia to możliwość wyliczenia nowego drzewa opinającego w przypadku awarii urządzenia lub ścieżki aktywnej. Jednostki BPDU zawierają informacje, dzięki którym przełączniki mogą wykonywać określone zadania: Wybrać jeden przełącznik główny, który będzie pełnił rolę korzenia drzewa opinającego. Obliczyć najkrótszą ścieżkę od danego przełącznika do przełącznika głównego. W każdym segmencie sieci lokalnej wyznaczyć przełącznik, który w topologii będzie najbliżej przełącznika głównego. Przełącznik ten jest nazywany przełącznikiem wyznaczonym (ang. designated switch). Przełącznik wyznaczony obsługuje całą komunikację między daną siecią lokalną a mostem głównym. Wybrać Wprowadzony jeden ze został swoich nowy portów format jako BPDU, port główny który (dla zawiera każdego dodatkowe przełącznika pole oprócz na bitowe przełącznika flagi o głównego). statusie portu Jest to i fazie interfejs, negocjacji. przez który Dodatkowo prowadzi najlepsza zmianie ścieżkę uległa do przełącznika zasada wysyłania głównego. BPDU w Wybrać porty, które są częściami drzewa rozpinającego. Te porty noszą nazwę portów wyznaczonych RSTP wszystkie przełączniki wysyłają BPDU co ustalony interwał czasu hello time, (ang. designated ports). Porty inne niż porty wyznaczone są blokowane. nawet gdy nic nie dostają od przełącznika Root. Jest to jednocześnie mechanizm keep alive między przełącznikami w przypadku braku trzech z rzędu komunikatów BPDU W przełącznikach rozsyłana jest ramka BPDU za pomocą unikalnego adresu MAC, na adres multicastowy przełącznik 01:80:C2:00:00:00. uznaje, że utracił połączenie z sąsiadem.

7 Pętle? Podstawowy problem polega na tym, że funkcjonujący w warstwie 2 Ethernet nie ma zdolności do usuwania krążących bez końca ramek ani do zapobiegania powstawaniu pętli, czyli inaczej niże w przypadku protokołu IP, który dysponuje polem czasu życia. Gdy węzeł A komunikuje się z węzłem B, pierwsza wysłana ramka to zapytanie ARP, które jest rozgłoszeniem. Podstawowym zachowaniem przełącznika jest przesłanie dalej ramki do wszystkich portów z wyjątkiem portu z którego ramka przyszła. W tym przypadku przełącznik 1 wysyła ramkę zarówno do przełącznika 2, jak i do przełącznika 3. Przełączniki 2 i 3 natychmiast przesyłają tę rozgłoszeniową ramkę jeden do drugiego. Zaraz potem odsyłają ją z powrotem do przełącznika 1. Przełącznik 1 ma teraz dwie kopie ramki, którą wysyłał na początku i nie wie że są to kopie. Zatem przełącznik 1 przesyła te kopie z powrotem do przełączników 2 i 3, i tak w kółko.

8 Wierszyk :) Co do grafów zacniejszego nie uświadczysz niźli drzewo. Drzewo bowiem z założenia to bez pętli połączenia, z konarami rozpiętymi sieci wszech sięgającymi. Najpierw musisz wybrać korzeń - tutaj numer Ci pomoże. Do korzenia ścieżek patrzaj, od najkrótszych je zaznaczaj. Spec dla kabli miejsce znajdzie, a most drzewo wnet odnajdzie.

9 Struktura jednostek BPDU Protokół drzewa rozpinającego wymaga, aby przełączniki wysyłały ramki zwane jednostkami protokołu mostu BPDU, a informacja zawarta wewnątrz jednostek była odebrana i przetworzona przez sąsiednie przełączniki.

10 Struktura jednostek BPDU W jednostce BDPU znajdują się trzy sekcje: szczegóły protokołu, pola właściwe dla algorytmu porównywania wartości liczników czasu.

11 Struktura jednostek BPDU Algorytm porównania Sednem protokołu drzewa rozpinającego jest eliminowanie pętli przez automatyczne blokowanie portów w sieci. Protokół ustala, które porty należy zablokować, posługując się algorytmem porównywania. Algorytm porównywania wykorzystuje maksymalnie cztery pola, aby wykonać porównanie: identyfikator korzenia, koszt ścieżki do korzenia, identyfikator mostu (most/przełącznik transmitujący) oraz identyfikator portu (port transmitujący). Za perspektywy algorytmu drzewa rozpinającego mniejsze liczby są lepsze. Informacje zawarte w tych czterech polach są porównywane z informacjami znanymi przełącznikowi. Porównania są wykorzystywane do podejmowania decyzji dotyczących kontroli topologii zawierających pętle. Protokół drzewa rozpinającego narzuca sieci topologię logiczną poprzez blokowanie portów uniemożliwiając im transmitowanie ramek danych. Oznacza to że topologie fizyczna i logiczna mogą się różnić.

12 Struktura jednostek BPDU Identyfikator korzenia Identyfikator korzenia (ang. root identifier) Pole 8-bitowe, które jest kombinacją priorytety i adresu MAC mostu głównego stanowiącego korzeń drzewa. Typowa wartość priorytetu mostu wynosi (h#8000). Do tej liczby może być dodany identyfikator wirtualnej sieci lokalnej (VLAN ID). Ponieważ wszystkie porty w przełączniku należą początkowo do sieci VLAN 1, wartość priorytetu zmienia się na (32769). W topologii znajdującej się w stanie po konwergencji, czyli w stanie ustalonym, wszystkie jednostki BPDU będą miały ten sam identyfikator korzenia.

13 Struktura jednostek BPDU Koszt ścieżki korzenia Koszt ścieżki korzenia (ang. root path cost) Czterobajtowe pole opisujące odległość od korzenia w kategoriach liczby i szybkości łączy. Wartości szybkości łącza wynoszą: 4Mb/s 250 1Gb/s 4 10Mb/s 100 2Gb/s 3 16Mb/s 62 10Gb/s 2 100Mb/s 19 Jednostki BPDU opuszczające most główny będą miały koszt ścieżki równy o niezależnie od szybkości łącza. Wszystkie pozostałe jednostki BPDU będą zawierać wartości oparte na topologii. Np. w sieci 100BaseT jednostki BPDU, które znajdują się o dwa przełączniki dalej od korzenia, będą miały koszt ścieżki do korzenia o wartości 38.

14 Struktura jednostek BPDU Koszt ścieżki korzenia Koszt ścieżki korzenia (ang. root path cost) Czterobajtowe pole opisujące odległość od korzenia w kategoriach liczby i szybkości łączy. Wartości szybkości łącza wynoszą: 10BaseT BaseT BaseT 4 Jednostki BPDU opuszczające most główny będą miały koszt ścieżki równy o niezależnie od szybkości łącza. Wszystkie pozostałe jednostki BPDU będą zawierać wartości oparte na topologii. Np. w sieci 100BaseT jednostki BPDU, które znajdują się o dwa przełączniki dalej od korzenia, będą miały koszt ścieżki do korzenia o wartości 38.

15 Struktura jednostek BPDU Identyfikator mostu Identyfikator mostu (ang. bridge identifier) Ośmiobajtowe pole, które jest kombinacją priorytetu i adresu MAC mostu transmitującego. Słowo transmitujący jest kluczowe, ponieważ odnosi się do przełącznika wysyłającego jednostkę BPDU. Ponieważ typowa wartość priorytetu mostu wynosi plus identyfikator sieci VLAN. Przełącznik wysyłający bieżącą jednostkę BPDU wpisuje tu właśnie te wartości. Na rys. poniżej przedstawiono te same jednostki BPDU lecz przechwycone w różnych urządzeniach. Zmiana się koszt ścieżki lecz identyfikator pozostaje bez zmiany.

16 Struktura jednostek BPDU Identyfikator portu Identyfikator portu (ang. port identifier) Dwubajtowe pole, które jest kombinacją priorytetu transmitującego portu oraz numeru portu. Typową wartością priorytetu portu jest wartość 128. Pierwszym zadaniem algorytmu jest wybranie mostu głównego będącego korzeniem drzewa. To nieskomplikowana procedura, na mocy której głównym mostem zostaje most z najniższą wartością kombinacji priorytetu i adresu MAC. Nie ma znaczenia, który przełącznik rozpoczyna proces, ponieważ przełączniki wymieniają między sobą jednostki BPDU, a topologia drzewa rozpinającego może się zmienić na podstawie odebranych informacji. Po wynborze mostu głównego algorytm drzewa rozpinającego wybiera mosty dystyngowane, ustala role portów oraz blokuje porty w celu wyeliminowania pętli Jednostka BPDU przeszła przez port 2 Jednostka BPDU przeszła przez port 1

17 Pojęcia Most główny - korzeń (ang. root bridge) Przełącznik o najmniejszej wartości liczbowej priorytetu i adresu MAC. Most desygnowany (ang. designated bridge) Kiedy ruch opuszczający segment sieci płynie do przełącznika głównego, może przechodzić (być przekazywany) przez inny przełącznik. To jest most desygnowany dla segmentu. Porty główne i desygnowane (ang. root and designated ports) W ustabilizowanej topologii wszystkie przełączniki na drodze od przełącznika głównego posiadają porty, bliżej przełącznika głównego, oraz bardziej od niego oddalone. Porty znajdujące się nazywamy portami głównymi (ang. root ports). Porty znajdujące się dalej nazywamy portami desygnowanymi (ang. designated ports). Inaczej porty główne wskazują kierunek do korzenia. Istnieje tylko jeden port główny w przełączniku. W przełączniku głównym wszystkie porty uważane są za desygnowane.

18 Stany portów Zablokowany (ang. blocked) Port w stanie zablokowany może odbierać jednostki BPDU, ale nie może ich transmitować. Nie transmituje ani nie przekazuje ramek danych. Port znajdujący się w tym stanie może rozpocząć przekazywane w zależności od odebranych (lub nieodebranych) informacji STP od sąsiednich mostów. Nasłuchiwanie (ang. listening) To pierwszy stan przejściowy, a przejście do niego następuje, gdy protokół drzewa rozpinającego wykryje, że port być może musi uczestniczyć w przekazywaniu ramek danych. Port będzie odbierał i przetwarzał jednostki BPDU, ale nie przekazuje ramek z danymi. W tym stanie porty rozpoczynają wysyłanie jednostek BPDU. Uczenie się (ang. learning) Stan podobny do nasłuchiwania, lecz port i przełącznik rozumują topologię i przygotowują się do przekazywania ramek danych. Port będzie kontynuował odbieranie i przetwarzanie jednostek BPDU.

19 Stany portów c.d. Przekazywanie (ang. forwarding) To stan finalny. Port w tym stanie przekazuje ramki danych, nawet jeśli nadal będzie przekazywał każdą nową informację z przechodzących jednostek BPDU. Zamknięty/wyłączony (ang. shutdown/disabled) Port, zamknięty przez administratora, nie uczestniczący w przekazywaniu ramek z danymi ani ramek protokołu drzewa rozpinającego (jednostek BPDU). Wszystkie porty zaczynają pracę od stanu zablokowany. Przechodzenie między stanami jest zarządzane przez licznik czasu opóźnienia przekazywania.

20 Liczniki czasu protokołu drzewa rozpinającego Hello Licznik czasu który steruje szybkością z jaką konfiguracyjne jednostki BPDU są emitowane przez przełącznik główny. Standardowa wartość wynosi 2 sekundy. Maksymalny wiek (ang. max age) Przełączniki śledzą, jak długo są już w posiadaniu bieżącej informacji. Jeśli wiek tej informacji przekracza wartość wieku maksymalnego (20 sekund), może zaistnieć potrzeba ponownego uruchomienia algorytmu porównywania. Aktualny licznik czasu dla wieku maksymalnego jest resetowany za każdym razem, gdy odbierana jest nowa informacja za pośrednictwem ramki BPDU. Przykładowo gdy sąsiedni przełącznik transmitujący ramko BPDU zostałby wyłączony, odbierający nie otrzymał by ramek BPDU i wówczas wiek bieżącej informacji zacząłby rosnąć. Ostatecznie odbiorca musiałby znaleźć nową ścieżkę do korzenia. Opóźnienie przekazywania (ang. forward delay) Licznik ten monitoruje czas spędzony w każdym z przejściowych stanów portu. Standardowo limit wynosi 15 sekund. Porty włączają się w stanie zablokowania i czekają 15 sekund, wówczas prowadzą nasłuch ramek BPDU (stan nasłuchiwania), a następnie przez 15 sekund przed przetwarzaniem (stan uczenia się) i przekazywaniem. W związku z tym typowe opóźnienie przed pojawieniem się sygnału połączenia z siecią wynosi około 30 sekund.

21 Działanie protokołu drzewa rozpinającego Przekazywanie (ang. forwarding) To stan finalny. Port w tym stanie przekazuje ramki danych, nawet jeśli nadal będzie przekazywał każdą nową informację z przechodzących jednostek BPDU.