STP (Spanning Tree Protocol) IEEE 802.1D jest protokołem służącym do zarządzania łączami sieci Ethernet. Autorką omawianego rozwiązania jest Radia Perlman, która zaproponowała je w 1985 roku. W 1990 roku został opisany standardem IEEE 802.1D. Protokół ten został projektowany dla urządzeń typu bridge, jednakże Switch to wieloportowy bridge także jego działanie odnosi się również Switchy. INFORMACJE OGÓLNE Protokół STP używa algorytmu STA (spanning-tree algorithm) do ustalenia, które porty przełącznika w sieci muszą być zablokowane w celu zapobieżenia powstawania pętli routingu w warstwie drugiej modelu OSI. Protokół wymaga od switchy realizacji określonego algorytmu, którego końcowym efektem jest powstanie logicznej topologii pozbawionej pętli. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu rozwiązania polegającego na tym, że w każdej pętli jeden z portów zostaje logicznie zablokowany, dzięki czemu pętla zostaje rozcięta. Gdy jedno urządzeń lub połączeń ulegnie uszkodzeniu, dotychczas zablokowany port zostaje automatycznie włączony i przesyłanie danych jest kontynuowane. Warunkiem prawidłowego funkcjonowanie sieci jest istnienie tylko jednej ścieżki pomiędzy dwoma stacjami. Algorytm STP ustawia każdy z portów przełączników w sieci w stan aktywny lub w stan blokady. Ramki mogą być przesyłane tylko portami aktywnymi.
ALGORYTM DZIAŁANIA RAMKI BPDU: Ramka BPDU zawiera: a) identyfikator switcha głównego (Root BID), na który składa się: - wartość określającą priorytet mostu (domyślnie przyjmuje wartość 32768), - adres MAC przełącznika wysyłającego, - rozszerzony identyfikator systemowy (dotyczy IEEE 802.1Q-2003) b) odległość do switcha głównego podawana jako wartość kosztu (patch cost). Domyślny koszt portu jest określony przez szybkość działania portu. c) identyfikator nadawcy ramki BPDU (Sender Bridge ID). d) identyfikator portu z którego ramka BPDU została nadana (Port ID). Składa się on z dwóch pól: - priorytet portu (domyślna wartość to 8) - numer portu Proces porównywania dwóch ramek BPDU polega na kolejnym porównywaniu wartości parametrów zapisanych w obu ramkach. 1. ROOT BID 2. PATCH COST 3. SENDER BRIDGE ID 4. PORT ID PRZEBIEG DZIAŁANIA ALGORYTMU: (1) Wybór Switcha głównego Algorytm STA wyznacza jeden switch jako główny i wykorzystuje jako punkt odniesienia we wszystkich kolejnych obliczeniach. Wszystkie switche uczestniczące w procesie STP wymieniają się ramkami BPDU w celu ustalenia switcha z najmniejszą wartością BID w sieci. Switch o najmniejszej wartości ramki BPDU staje się switchem głównym (Rootem). Przebieg procesu wyboru: - ramki BPDU wysyłane są co 2 sekundy na adres multicastowy 01:80:c2:00:00:00. - w miarę przekazywania przez przełączniki ramek BPDU wszystkie sąsiadującego w domenie rozgłoszeniowej przełączniki odczytują z tychże ramek informacje o identyfikatorze mostu głównego. - jeśli w ramce, którą switch otrzymał, wartość identyfikatora switcha głównego jest mniejsza niż jego własna to switch uaktualni przechowywany w swojej pamięci identyfikator switcha głównego. (Na początku każdy switch myśli, że jest głównym i taka informacja jest zawarta początkowo w jego BID). W tym momencie switch zaprzestaje wysyłania własnych ramek, a tylko nasłuchuje ramek o lepszych parametrach. Jeżeli przez pewien czas ramki lepsze przestają nadchodzić, to switch wznawia wysyłanie własnych ramek uznając siebie ponownie jako switch główny. (2) Wybór portu głównego (root port) na każdym switchu, który nie jest głównym. Po wyborze switcha, który będzie głównym, każdy pozostały musi wybrać jeden port główny. Zostaje on wybrany na podstawie takiego samego 4-stopniowego procesu wyboru jak Switch główny co oznacza, że analizowane są ponownie ramki BPDU.
1. ROOT BID 2. PATCH COST 3. SENDER BRIDGE ID 4. PORT ID Ze względu na to, że każdy z portów porównywanych będzie miał taką samą wartość Root BID, czyli ID switcha głównego, to pod uwagę brane są dalsze parametry zgodnie z kolejnością. (3) Wybór portu desygnowanego (designated port) dla każdego segmentu sieci. Do każdego segmentu w sieci jest wybierany jeden designated port, który jako jedyny będzie wysłał i odbierał ramki z tego segmentu. Każdy port, który nie został wybrany jako główny lub desygnowany zostanie ustawiony w tryb BLOCKING. STANY PORTÓW STP: Disabled (stan wyłączenia) port jest wyłączony administracyjnie (shutdown), dlatego też nie uczestniczy w procesie STP i nie przekazuje ani nie przetwarza ramek. Blocking (stan blokowania) - port jest niedesygnowany i nie uczestniczy w przekazywaniu ramek. Nadal przetwarza ramki BPDU w celu ustalenia lokalizacji i identyfikatora mostu głównego oraz tego, jaką role powinien przyjąć w ostatecznej aktywnej topologii STP. Listening (stan nasłuchiwania) protokół STP na podstawie dotychczas odebranych ramek BPDU ustalił, że port ten może zostać wybrany jako port główny lub port desygnowany. W tym momencie port przełącznika nie tylko odbiera ramki BPDU, ale także transmituje własne i informuje sąsiednie przełączniki, że przygotowuje się do uczestnictwa w aktywnej topologii. Port powróci do stanu blokowanie, jeśli zostanie stwierdzone, że nie zapewnia ścieżki o najmniejszym koszcie do mostu głównego. Learning (stan uczenia się) port przygotowuje się do uczestnictwa w przekazywaniu ramek i zaczyna wypełniać wpisami tablicę adresów MAC. Forwarding (stan przekazywania) port stanowi część aktywnej topologii i przekazuje ramki oraz wysyła i odbiera ramki BPDU ZEGARY BPDU Czas pozostawania portu w rożnych stanach zależy od zegarów BPDU. Tylko Switch pełniący rolę Switcha głównego może wysyłać w obrębie drzewa informacje dostrajające zegary. Podane niżej zegary określają czasy działania protokołu STP i zmiany stanu: Hello time (czas powitania) czas między wysyłaniem poszczególnych ramek BPDU przez port. Domyślnie wynosi dwie sekundy, lecz może zostać ustawiony na wartość z przedziału od jednej do 10 sekund. Forward delay (opóźnienie przekazywania) jest to czas pozostawania w stanach learning (nasłuchiwania) i listening (uczenia się). Domyślnie wynosi 15 sekund, lecz może zostać ustawiony na wartość z przedziału od czterech do 30 sekund.
Maximum age (wiek maksymalny) - zegar wieku maksymalnego kontroluje maksymalny czas w wieku którego port przełącznika zapisuje informacje konfiguracyjne BPDU. Domyślnie wynosi 20 sekund, lecz może zostać ustawiony na wartość z przedziału do 40 sekund. SPANNING TREE W PRAKTYCE Taki jest algorytm, ale to wciąż nie wyjaśnia, jak w rzeczywistości działa Spanning Tree. Wykonywanie algorytmu Spanning Tree zaburza pracę sieci aby wykonać obliczenia, przełączniki muszą wstrzymać cały ruch sieciowy. Następnie przebiega seria faz nasłuchiwania i uczenia, a ruch w sieci zostaje wznowiony dopiero, gdy przełączniki zbudują topologię. Na szczęście proces ten ma miejsce tylko, gdy wystąpią zmiany w topologii sieci lub przełączniki odbiorą pakiet konfiguracyjny BPDU. Niestety, zdarza się to częściej, niż mogłoby się wydawać. Koncepcja Spanning Tree zakłada, że w sieci może nastąpić awaria połączenia, ponieważ para przełączników jest połączona przynajmniej dwoma ścieżkami. STP będzie utrzymywać zapasowy port w statusie zablokowany, dopóki nie będzie on potrzebny. Wydaje się więc, że zapasowe łącza można odłączyć i podłączyć nowe bez przerywania działania sieci. Niestety, Spanning Tree nie działa w ten sposób. Gdy pojawia się nowe fizyczne połączenie, przyłączone do niego przełączniki wyślą pakiet konfiguracyjny BPDU, a pozostałe urządzenia odpowiedzą na ten pakiet. Cały ruch sieciowy zostanie wstrzymany na czas potrzebny do przeliczenia Spanning Tree (około 30-60 sekund). Jest to bardzo wygodne w praktyce, ponieważ w przypadku awarii przełącznika czas przestoju jest stosunkowo krótki, jednak w przypadku planowanych prac serwisowych czas przestoju jest daleki od optymalnego. Żeby skrócić czas przestoju, opracowano protokół RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), który jest dostępny w obecnych przełącznikach i znacznie skraca czas przestoju. Dlatego powinno się używać wyłącznie protokołu RSTP. Jest on w pełni kompatybilny ze starszymi urządzeniami, a jednocześnie skraca czas przestoju do około 3 sekund. Jak widać, wykorzystanie STP lub RSTP pozwala połączyć ze sobą dwa przełączniki z wykorzystaniem wielu łączy bez tworzenia pętli. Jeśli aktywne połączenie pomiędzy nimi ulegnie awarii, automatycznie zostanie wykorzystane jedno z pozostałych połączeń. Mechanizm ten działa, ponieważ przełącznik blokuje łącza zapasowe, ale nasłuchuje również pakietów BPDU zawierających aktualizację konfiguracji i wie, które łącze prowadzi do głównego przełącznika. Mechanizm ten działa pod warunkiem prawidłowej konfiguracji. ROZSZERZENIA SIECIOWE STP Rozwój protokołu STP, podobnie jak wielu innych standardów sieciowych, był stymulowany koniecznością tworzenia ogólnie dostępnych specyfikacji, gdy protokoły będące własnością różnych firm stawały się de facto standardami. Protokół STP przeszedł tę samą drogę. Odmiany protokołu STP:
PVST (Per-VLAN Spanning-Tree) - utrzymuje po jednej instancji drzewa rozpinającego dla każdej ze skonfigurowanych sieci VLAN. Instancja ta nazywa się Single Spanning Tree / Common Spanning Tree). Oznacza to, że jeden switch główny pełni swoją rolę dla wszystkich istniejących w sieci VLANów. Rolę poszczególnych portów (Port Główny, Port Desygnowany) jak i ich stany (Forwarding, Blocking) są takie same dla każdego z VLANów. PVST+ (Per-VLAN Spanning-Tree Plus) firma Cisco opracowała protokoł PVST+, aby dla każdej sieci VLAN mogła być uruchamiana osobna instancja drzewa rozpinającego (protokołu STP). Dzięki tak pomyślanej modyfikacji protokołu w sieci może istnieć kilka switchy głównych, a jeśli dany port jest typu trunk, to może być w tym samym czasie w stanie Forwarding dla jednego VLANu i w stanie Blocking dla innego VLANu. Konfigurując różne switche główne dla poszczególnych sieci VLAN, tworzy się sieć o większej nadmiarowości. W celu zapewnienia obsługi magistral zgodnych ze standardem IEEE 802.1Q PVST+ oferuję tę samą funkcjonalność co PVST. W celu umożliwienia działania protokołu PVST+ ośmiobajtowe pole identyfikatora BID zostało zmodyfikowane, tak aby zawierało także identyfikator sieci VLAN (VID) BID, który zawiera rozszerzony identyfikator systemowy posiada inną wartość dla każdego z VLANów. Jest to spowodowane tym, iż do domyślnej wartości BID dodaje się dodatkowo numer VLANu. Przykład: (VLAN 8: Bridge Priority = 32768 + 8 + Adres Mac) (VLAN 1: Bridge Priority = 32768 + 1 + Adres Mac) Protokół RSTP: Protokół RSTP jest zdefiniowany w standardzie IEE 802.1w. Stanowi rozwiniętą wersje protokołu STP 802.1D. Terminologia protokołu RSTP 802.1w praktycznie się nie różni od obowiązującej dla protokołu STP 802.1D. Większość parametrów pozostała niezmieniona, tak aby użytkownicy znający protokół STP mogli się szybko nauczyć konfiguracji nowego protokołu. RSTP zapewnia konwergencję na poziomie pojedyńczych sekund, a nawet poniżej jednej sekundy. W RSTP nie istnieją żadne porty zablokowane. RSTP nie przewiduję znajdowania się portu w stanie zablokowania. Definiuje natomiast następujące stany portów: - odrzucania (discarding), - uczenie się (learning), - przekazywanie (forwarding).
W RTP rozróżnia się typy łączy: - point-to-point (P2P), full duplex - shared, half duplex W przeciwieństwie do STP, w którym to tylko switch główny generował ramki BPDU, to w RSTP każdy switch przez cały czas generuje ramki BPDU. Pełnią one rolę kontroli połączenia pomiędzy sąsiednimi switchami. Dzięki temu czas maximum age został skrócony z 20 na 6 sekund. Informacje związane z protokołem mogą od razu utracić na porcie ważność, jeśli w ciągu trzech kolejnych czasów powitania (hello time domyślnie sześć sekund) nie zostaną odebrane żadne sygnały hello lub jeśli upłynie czas maximum age. Ponieważ jednostki BPDU są używane jako mechanizm sygnalizowania aktywności, brak trzech kolejnych jednostek BPDU sygnalizuje utratę zdolności połączeniowej między mostem i jego sąsiednim mostem głównym lub mostem desygnowanym. Wskutek szybkiego starzenia się informacji jest możliwe szybkie wykrywanie awarii. PODSUMOWANIE Protokół Spanning Tree zapobiega powstawaniu pętli w sieci, w której przełączniki są połączone ze sobą wieloma ścieżkami. Spanning Tree jest implementacją algorytmu 802.1D IEEE, a jego działanie polega na wymianie wiadomości BPDU pomiędzy przełącznikami w celu wykrycia pętli i ich usunięcia poprzez zablokowanie wybranych interfejsów przełącznika. Ten algorytm gwarantuje, że jest tylko jedna ścieżka pomiędzy dwoma urządzeniami sieciowymi. Jednocześnie gwarantuje nadmiarowość na wypadek awarii aktywnych ścieżek. Główny przełącznik w Spanning Tree jest logicznym centrum, przez które przechodzi cały ruch sieciowy. Zaleca się ręczne wybieranie przełącznika, który będzie pełnić tę funkcję. Wadą STP są rekalkulacje, dlatego należy prawidłowo skonfigurować porty służące do podłączania urządzeń końcowych oraz używać protokołu RSTP. ŹRÓDŁA: http://itfocus.pl/raporty/przelaczniki/jak-dziala-spanning-tree http://cisco.sadzer.pl/rip/stp/ http://www.computerworld.pl/artykuly/299137/protokol.rstp.zwieksza.dostepnosc.sieci.lan.html