Spanning Tree Protocol
Spanning Tree Protocol - Schleifenunterdrückung bei redundanten Verbindungen zwischen Bridges oder Switches
Beschreibung
Unterdrückung kreisender Frames
| Familie | Inter-Switch-Kommunikation | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Einsatzgebiet | Management von logischen Ethernet-Verbindungen | ||||
| Protokollstapel | Netzzugang | STP | |||
| Ethernet | |||||
- Unterdrückung von kreisenden Ethernet-Frames
Identifiziert Mehrfachwege
- Redundanten Wegen durch eine logische Blockierung bestimmter Pfade
- Baumtopologie aufbauen, die keine Schleifen besitzt
Dazu werden auf den Switches mit redundante Verbindungen zu anderen Switches bis auf eine blockiert
- Bei Ausfall der primären Verbindung können diese aktiviert
- Erzeugen so ein hohes Maß an Fehlertoleranz
- IEEE 802.1D
- Redundante Wege
- Ausgehend von einem "Root"-Punkt wird nur ein Weg aktiviert
- Switch-Infrastrukturen
- Rechnernetzwerke können mit einer Vielzahl von Switches aufgebaut werden
- Eindeutiger Datenpfad
- Pakete eindeutig weiterleiten
- Ethernet-Technologie muss sicherstellen, dass
- zwischen zwei Rechnern jeweils nur ein Datenpfad existiert
- Vermeidung von Broadcast-Stürmen
- Wird nur erreicht, wenn ein Algorithmus existiert, der die Schleifenfreiheit der Topologie sicherstellt
- Der Spanning Tree–Algorithmus (STA) wurde von Radia Perlman entworfen und 1990 als IEEE 802.1D standardisiert
- Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit dieses Konzeptes ist, dass der aufspannende Baum für den Nutzer vollkommen transparent erstellt werden kann.
- Als einzige Aktion muss der Spanning-Tree-Algorithmus auf den Switches aktiviert sein.
- Bridge Protocol Data Unit (BPDU)
Austausch von Konfigurationsnachrichten
- Multicast-Paket
- standardmäßig alle zwei Sekunden
- nicht unerhebliche Netzlast
- Redundanz
- Einerseits ist Redundanz in einem Netz besonders wichtig, weil damit Netzwerke fehlertolerant werden.
- Redundante Topologien schützen vor unerwünschten Ausfallzeiten im Netz aufgrund von Fehlern einer einzigen Verbindung, eines Anschlusses oder einer Netzeinheit.
- Andererseits wird durch diese Redundanz in der Topologie die Möglichkeit für die fehlerhafte Doppelübertragungen von Informationen eröffnet.
- Dem entgegenwirkt STP (Spanning Tree Protocol), indem es redundante Wege zwar erlaubt, aber immer nur genau einen Weg aktiv hält.
- Dies führt zu einer schleifenfreien logischen Topologie, bei der zwischen zwei Rechnern im Netz immer nur ein aktiver Pfad besteht.
Aufspannen des Baumes
- Ablauf
| Schritt | Option |
|---|---|
| 1 | Einschalten („Power up“) aller Bridges |
| 2 | Alle Bridges stellen ihre Ports auf „Blocked“ |
| 3 | Jede Bridge nimmt an, sie sei die Root-Bridge, und sendet ihre Bridge ID an eine bestimmte Multicast-Gruppe |
| 4 | Die Bridge mit der kleinsten Bridge-ID (besteht aus Bridge Priority & MAC-Adresse) wird zur Root-Bridge |
| 5 | Die Root-Bridge sendet sogenannte Konfigurations-BPDUs (Bridge Protocol Data Unit) aus |
| 6 | Jede Bridge bestimmt den Port mit den kleinsten Pfadkosten zur Root-Bridge als Root-Port (Bei Ports mit gleichen Kosten gewinnt die kleinere Port-ID) |
| 7 | Die Designated Bridge wird festgelegt, dies ist die Bridge mit dem Root-Port |
Wahl der Root-Bridge
- Bestimmung erfolgt anhand der Bridge ID
- Kleinste Bridge ID gewinnt
- Bei gleichen Bridge IDs entscheidet die kleinere MAC-Adresse
Festlegung der Root-Ports
- Jede Nicht-Root-Brücke muss einen Root Port ausweisen
- wird durch den billigsten/schnellsten Weg der in Richtung Root Brücke zeigt ermittelt
Bestimmung der Designated-Ports
- Jedes Segment hat einen Designated-Port
- Die Root Bridge hat nur Designated Ports
- Wegekosten '0'
- Jedem Root-Port liegt ein Designated-Port' gegenüber
- Auf Segmenten ohne Root-Port entscheiden die geringsten Wegekosten darüber
- Sind die Wegekosten gleich, entscheidet die kleinste MAC Adresse welcher Switch den Designated-Port erhält
- Dem Designated-Port liegt auf diesem Segment dann ein Blocked-Port gegenüber
Zuordnung einer Bridge pro LAN
- Zuordnung ist entscheidend, um entsehende Schleifen zu verhindern
Wenn nur eine Bridge an ein spezielles LAN angebunden ist, ist die Wahl einfach:
- Der Port, der zu diesem LAN gehöhrt wird ihm auch global zugeordnet.
- Haben mehrere Bridges einen direkten Zugang zu einem LAN, wird der Port ausgewählt, welcher die geringsten Kosten bei einer Verknüpfung mit der Root-Bridge verursacht.
- Hat die dem LAN zugewiesene Bridge mehrere Ports in diesem LAN, so wird der Port mit der geringsten Priorität genutzt.
Pfadkosten
| Bandbreite | STP-Kosten |
|---|---|
| 10 MBit/s | 100 |
| 16 MBit/s | 62 |
| 100 MBit/s | 19 |
| 200 MBit/s | 12 |
| 622 MBit/s | 6 |
| 1 GBit/s | 4 |
| 10 GBit/s | 2 |
| 20+ GBit/s | 1 |
Eine 40- und eine 100-GBit-Verbindung haben in Summe die gleichen Wegekosten, wie eine 10-GBit Verbindung
- hier würde es Sinn machen, die Ports einzeln zu konfigurieren
Topologie-Erkennung
- Portzustände
Um die logische Netzwerktopologie kennenzulernen, durchläuft jeder Trunk-Port folgende Zustände
- Für diesen Zustandsübergang werden in der Standardkonfiguration 50 Sekunden benötigt
| Zustand | Beschreibung |
|---|---|
| Disabled |
|
| Blocking |
|
| Listening |
|
| Learning |
|
| Forwarding |
|
Timer
- Zeitspanne in der ein Port in einem Zustand verweilt
Durch Timer festgelegt
- Nur die Root-Bridge kann die Einstellungen ändern
- Drei Timer beeinflussen den Zustandswechsel und damit die Ausführungsgeschwindigkeit des Algorithmus
| Timer | Beschreibung |
|---|---|
| Hello timer | Legt fest, wie oft das Netzwerkgerät Hallo-Nachrichten an andere Netzwerkgeräte sendet |
| Maximum age timer | Legt fest, wie lange Protokollinformationen, die an einem Port empfangen werden, vom Netzwerkgerät gespeichert werden |
| Forward Delay | Vorwärtsverzögerung ist die Zeit, die im Zuhör- und Lernzustand verbracht wird. Standardmäßig 15 Sekunden, kann jedoch auf einen Wert zwischen 4 und 30 Sekunden einstellen werden |
Bridge Protocol Data Unit (BPDU)
- Dateneinheit, die Briges/Switches austauschen, um Spanning Tree zu verwalten
| 2 Byte | 1 Byte | 1 Byte | 1 Byte | 8 Byte | 2 Byte | 2 Byte | 2 Byte | 2 Byte | 2 Byte | 2 Byte | 2 Byte |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Protocol ID | Version | Message Type | Flags | Root ID | Cost of Path | Bridge ID | Port-ID | Message Age | Max age | Hello timer | Forward Delay |
| Feld | Beschreibung |
|---|---|
| Flags |
siehe #Topologieänderungen |
| Root Bridge ID | ID der Root Bridge |
| Root Path Cost | Kosten für den kürzesten Weg von der Sendebrücke zur Wurzelbrücke
|
| Bridge ID | ID der Sendebrücke |
| Port ID | Port-ID
|
| Message Age | Zeit, seit die Root-Bridge die Informationen in dieser BPDU generiert hat |
| Max Age | Maximale Lebensdauer für Konfigurations-BPDUs |
| Hello Time | Timeout benutzt von Hello timer |
| Forward Delay | Timeout benutzt von Forward Delay timer |
| Bridge ID | Ist eine "Kennung" (8 Byte) die sich aus einer sogenannten Priority (2 Byte -> 2^16 Bit -> max. 65.536) und der MAC-Adresse (6 Byte) des Switch zusammensetzt |
Topologie
STP
RSTP
- Funktionen wie STP
- schnellere Konvergenz
- Bei signalisierten Topologie Änderungen, wird die vorhandene Netzstruktur weiter genutzt, während ein Alternativpfad berechnet wird
- Erst anschließend wird ein neuer Baum zusammengestellt
MSTP
- Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)
- Erweiterung von RSTP
- Ermöglicht mit VLANs verschiedene Instanzen des Spannbaums
- Für ein VLAN oder eine Gruppe von VLANs können unabhängige STP-Instanzen gebildet werden
- die innerhalb eines LANs jeweils eigene unterschiedliche Spannbäume nutzen
CIST
- Common Internal Spanning Tree
- Umfasst alle LANs, STP- und RSTP-Bridges und MSTP-Regionen in einem Netzwerk
- Das CIST bestimmt automatisch die MST-Regionen in einem Netzwerk und definiert die Root-Bridge (Switch) und den designierten Port für jede Region
- Der CIST umfasst den Common Spanning Tree (CST), den Internal Spanning Tree (IST) innerhalb jeder Region und alle multiplen Spanning-Tree-Instanzen (MSTIs) in einer Region
Anhang
Siehe auch
Dokumentation
IEEE-Normen
| IEEE-Norm | Beschreibung |
|---|---|
| 802.1D | |
| 802.1w | |
| 802.1s | |
| 802.1aq | |
| 802.1Q |