WikiSort.ru - Не сортированное

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 28 февраля 2019 года.

Spanning Tree Protocol (STP, протокол покрывающего дерева) — канальный протокол. Основной задачей STP является устранение петель в топологии произвольной сети Ethernet, в которой есть один или более сетевых мостов, связанных избыточными соединениями. STP решает эту задачу, автоматически блокируя соединения, которые в данный момент для полной связности коммутаторов являются избыточными.

Необходимость устранения топологических петель в сети Ethernet следует из того, что их наличие в реальной сети Ethernet с коммутатором с высокой вероятностью приводит к бесконечным повторам передачи одних и тех же кадров Ethernet одним и более коммутатором, отчего пропускная способность сети оказывается почти полностью занятой этими бесполезными повторами; в этих условиях, хотя формально сеть может продолжать работать, на практике её производительность становится настолько низкой, что может выглядеть как полный отказ сети.

STP относится ко второму уровню модели OSI. Протокол описан в стандарте IEEE 802.1D. STP основан на одноимённом алгоритме, который разработала Радья Перлман (англ. Radia Perlman).

Если в сети с мостовыми подключениями (в сегменте сети из коммутаторов) имеется несколько путей, могут образоваться циклические маршруты, и следование простым правилам пересылки данных через мост (коммутатор) приведёт к тому, что один и тот же пакет будет бесконечно передаваться с одного моста на другой (передаваться по кольцу из коммутаторов).

Алгоритм остовного дерева позволяет по мере необходимости автоматически отключать передачу через мост в отдельных портах (блокировать порты коммутатора), чтобы предотвратить зацикливание в топологии маршрутов пересылки пакетов. Для использования алгоритма остовного дерева в сетевом мосте никакой дополнительной настройки не требуется. ^[1]

Описание

Алгоритм остовного дерева является основой протокола STP (Spanning Tree Protocol), динамически отключающего избыточные связи в сети стандарта Ethernet (для образования древовидной топологии). STP стандартизован IEEE и поддерживается многими моделями управляемых коммутаторов, в частности, включен по умолчанию на всех коммутаторах Cisco.

Суть работы протокола заключается в том, что поддерживающие его коммутаторы сети Ethernet обмениваются друг с другом информацией «о себе». На основании определённых условий (обычно в соответствии с настройками) один из коммутаторов выбирается «корневым» (или «root»), после чего все остальные коммутаторы по алгоритму остовного дерева выбирают для работы порты, «ближайшие» к «корневому» коммутатору (учитывается количество посредников и скорость линий). Все прочие сетевые порты, ведущие к «корневому» коммутатору, блокируются. Таким образом образуется несвязное дерево с корнем в выбранном коммутаторе.

В коммутаторах Cisco с поддержкой VLAN протокол STP по умолчанию выполняется независимо для каждой виртуальной сети.

Кроме STP, в коммутаторах могут применяться другие методики обнаружения и устранения петель — например, сравнением таблиц коммутации (списков MAC-адресов) разных портов, или сравнением контрольных сумм проходящих пакетов (совпадение указывает на одинаковые пакеты, которые появляются из-за петель). По сравнению с описанными методами, случайным образом (или основываясь на каких-то догадках) блокирующими «дублирующие» порты, протокол STP обеспечивает древовидную структуру всего сегмента, при любом количестве резервных линий между произвольными коммутаторами, поддерживающими STP.

Принцип действия

1. Выбирается один корневой мост (англ. Root Bridge).
2. Далее каждый коммутатор просчитывает кратчайший путь к корневому. Соответствующий порт называется корневым портом (англ. Root Port). У любого некорневого коммутатора может быть только один корневой порт.
3. После этого для каждого сегмента сети, к которому присоединён более чем один мост (или несколько портов одного моста), просчитывается кратчайший путь к корневому мосту(порту). Мост, через который проходит этот путь, становится назначенным для этой сети (англ. Designated Bridge), а соответствующий порт — назначенным портом (англ. Designated port).
4. Далее во всех сегментах, с которыми соединено более одного порта моста, все мосты блокируют все порты, не являющиеся корневыми и назначенными. В итоге получается древовидная структура (математический граф) с вершиной в виде корневого коммутатора.

Основные понятия

• Bridge ID = Bridge priority + MAC;
• Bridge priority = vlan xxx + 4096xN, N-множитель, назначается администратором сети (4096х8=32768 default cost);
• Cost — «стоимость портов»;
• Pathcost — стоимость линка в STP;
• Hello BPDU = root ID + bridge ID + cost;
• Root port (корневой порт) — это порт, который имеет минимальную стоимость до любого порта корневого коммутатора;
• Designated port (назначенный порт) — это порт, который имеет кратчайшее расстояние от назначенного коммутатора до корневого коммутатора.

Важные правила

1. Корневым (root) портом назначается порт с самой низкой стоимостью пути (path cost).
2. Возможны случаи, когда стоимость пути по двум и более портам коммутатора будет одинакова, тогда выбор корневого (root) порта будет происходить на основании полученных от соседей приоритета и порядкового номера порта (Lowest Sender Port ID)^[2], например fa0/1, fa0/2, fa0/3 и корневым (root) станет порт с наименьшим номером.
3. Коммутаторы, по умолчанию, не измеряют состояние загрузки сети в реальном времени и работают в соответствии со стоимостью (cost) интерфейсов в момент построения дерева STP.
4. Каждый порт имеет свою стоимость (cost), обратно пропорциональную пропускной способности (bandwidth) порта и которую можно настраивать вручную.

Алгоритм действия STP (Spanning Tree Protocol)

• После включения коммутаторов в сеть, по умолчанию каждый коммутатор считает себя корневым (root).
• Каждый коммутатор начинает посылать по всем портам конфигурационные Hello BPDU пакеты раз в 2 секунды.
• Если мост получает BPDU с идентификатором моста (Bridge ID) меньшим, чем свой собственный, он прекращает генерировать свои BPDU и начинает ретранслировать BPDU с этим идентификатором. Таким образом в конце концов в этой сети Ethernet остаётся только один мост, который продолжает генерировать и передавать собственные BPDU. Он и становится корневым мостом (root bridge).
• Остальные мосты ретранслируют BPDU корневого моста, добавляя в них собственный идентификатор и увеличивая счётчик стоимости пути (path cost).
• Для каждого сегмента сети, к которому присоединено два и более портов мостов, происходит определение designated port — порта, через который BPDU, приходящие от корневого моста, попадают в этот сегмент.
• После этого все порты в сегментах, к которым присоединено 2 и более портов моста, блокируются за исключением root port и designated port.
• Корневой мост продолжает посылать свои Hello BPDU раз в 2 секунды.

Порты

Каждый порт, задействованный в STP, может работать в одном из следующих режимов (ролей):

• Root Port (корневой) — порт для передачи трафика корневому коммутатору. Каждый некорневой коммутатор имеет только один корневой порт, выбранный из соображений минимальной стоимости пути.
• Designated Port (назначенный) — некорневой порт моста между сегментами сети, принимающий трафик из соответствующего сегмента. Сам мост также называется назначенным. В каждом сегменте сети может быть только один назначенный порт. У корневого коммутатора все порты - назначенные.
• Non-designated Port (неназначенный) — порт, не являющийся корневым, или назначенным. Передача фреймов данных через такой порт запрещена.
• Disabled Port (отключенный) — порт, не участвующий в STP, либо выключенный административно (командой shutdown).

Эволюция и расширения

История создания

Алгоритм, заложенный в основу STP, был разработан в 1985 году Радией Перлман. Ей дали 1 неделю на разработку алгоритма. Она сделала это за 1 день, а в оставшееся время описала алгоритм в виде стихотворения^[3]

I think that I shall never see
A graph more lovely than a tree.
A tree whose crucial property
Is loop-free connectivity.
A tree that must be sure to span
So packets can reach every LAN.
First, the root must be selected.
By ID, it is elected.
Least-cost paths from root are traced.
In the tree, these paths are placed.
A mesh is made by folks like me,
Then bridges find a spanning tree.

— Radia Joy Perlman

См. также

• IEEE 802.1
• Алгоритм остовного дерева — используется в протоколе STP для определения структуры сети.

Примечания

Ссылки

• CCNP TSHOOT 642—832 Quick Reference // Brent Steward // Cisco Press 2010 ISBN 1-58714-012-8 (англ.)
• IEEE Std 802.1D™- 2004 (англ.)
• IEEE Std 802.1Q™- 2005 (англ.)
• Understanding Spanning-Tree Protocol (англ.)
• Введение в недокументированное применение протокола Spanning Tree
• PVST+ Explained — CCIE Blog (англ.)
• Differences between PVST and PVST+ (англ.)
• Назначение протокола STP (англ.)