Spanning Tree Protocol: Unterschied zwischen den Versionen

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==Spanning Tree–Algorithmus==
'''Spanning Tree Protocol''' - Schleifenunterdrückung bei redundanten Verbindungen zwischen [[Bridge]]s oder [[Switch]]es
Der Algorithmus ist ebenfalls in IEEE 802.10 spezifiziert.Er wird eingesetzt um bei Verknüpfungen von Netzwerken redundante Pfade (sog. Loops) durch einen deterministischen logischen Pfad im Netz zu ersetzen. Im folgenden Beispiel sind verschiedene LANs durch Bridges miteinander verknüpft, die im Bild durch Pfeile repräsentiert werden.


[[Datei:S-tree-algorithmus.gif |400px|thumb|Ein Beispiel für eine Spanning Tree Algorithm|right]]
== Beschreibung ==
=== Unterdrückung kreisender Frames ===
{| class="wikitable float"
|+ STP (Spanning Tree Protocol)
|-
! style="text-align:left" | Familie
| rowspan="1" colspan="2" | Inter-Switch-Kommunikation
|-
! style="text-align:left" | Einsatzgebiet
| rowspan="1" colspan="2" | Management von logischen Ethernet-Verbindungen
|-
| rowspan=2" | '''Protokollstapel'''
| rowspan="2" text-align:center""| '''Netzzugang'''
| rowspan="1" colspan="1" text-align:center"| '''STP'''
|-
| rowspan="1" colspan="6" text-align:center""| '''Ethernet'''
|}
; Unterdrückung von kreisenden Ethernet-Frames
Identifiziert Mehrfachwege
* Redundanten Wegen durch eine logische Blockierung bestimmter Pfade
* Baumtopologie aufbauen, die keine Schleifen besitzt


Alle Bridge-Links gemeinsam würden redundante Pfade im Netz ermöglichen, was endlos kreisende Pakete zur Folge hätte. Mit dem "Spanning Tree"-Algorithmus wird einer der möglichen logischen Pfade im Netz ausgewählt, der keine Schleifen enthät. Das Ergebnis wird durch die blauen Pfeile dargestellt die eine baumartige Struktur bilden. Im Extremfall kann hierdurch eine Bridge sogar ganz aus dem Netzverkehr herausfallen.
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


===Arbeitsweise des Spanning Tree - Algorithmus===
[[Datei:Stp.png|mini| 400px|Beispiel einer Spanning Tree Topologie]]


Die Bridges kommunizieren untereinander mit Hilfe der sog. Bridge Protocol Data Units (BPDU). Jede Bridge benötigt eine gewisse Grundkonfiguration, um den Algorithmus einsetzen zu können:
; IEEE 802.1D
*Bridge: Eindeutige Bridge-ID.
* Schleifenfreie logische Topologie zwischen [[Switch]]es und [[Bridge]]s
*Port: Eindeutige Port-ID.
*Port: Relative Port-Priorität.
*Port: "Kostenfaktor" für jeden Port (je höher die Netzwerk-Performance im angeschlossenen LAN, desto geringer die Kosten).


In Abhängigkeit der Parameter wird der logische Baum folgendermaßen automatisch von allen Bridges zusammen aufgespannt(Beispielgrafik 8k):
; Redundante Wege
1.Auswahl der Root-Bridge
* Ausgehend von einem "Root"-Punkt wird nur ein Weg aktiviert
Die Root-Bridge ist die Bridge mit der kleinsten Bridge-ID.
Haben zwei Bridges die selbe ID, so wird diejenige mit der kleinsten MAC-Adresse ausgewählt.
2.Auswahl eines Root-Ports pro Bridge
Mit Außnahme der Root-Bridge, wird bei jeder Bridge einer der Ports als Root-Port festgelegt.Dieser Port wird mit Hilfe des gewählten Kostenfaktors ermittelt.
Die Verbindung mit dem geringsten Kostenfaktor zur Root-Bridge ist dann der Root-Port.
3.Zuordnung einer Bridge pro LAN
Diese Zuordnung ist entscheidend, da sonst Schleifen entstehen können.
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.


==Spanning Tree Protocol==
; Switch-Infrastrukturen
{| class="wikitable float-right"
* Rechnernetzwerke können mit einer Vielzahl von Switches aufgebaut werden
! bgcolor="#c0c0ff" colspan="2" font="size:larger" | STP (Spanning Tree Protocol)
 
; Eindeutiger Datenpfad
* Pakete eindeutig weiterleiten
* Ethernet-Technologie muss sicherstellen, dass
* zwischen zwei Rechnern jeweils nur ein Datenpfad existiert
 
; Vermeidung von [[Broadcast-Sturm|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
{| class="wikitable options col1center"
|-
! 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
|-
|-
! style="text-align:left" | Familie:
| 4 || Die Bridge mit der kleinsten Bridge-ID (besteht aus Bridge Priority & MAC-Adresse) wird zur Root-Bridge
| Inter-Switch-Kommunikation
|-
|-
! style="text-align:left" | Einsatzgebiet:
| 5 || Die Root-Bridge sendet sogenannte Konfigurations-BPDUs (Bridge Protocol Data Unit) aus
| Management von logischen Ethernet-Verbindungen
|-
|-
| align="center" colspan="2" | {{Netzwerk-TCP-IP-Sicherungsprotokoll|STP|BIT1=Ethernet|simple=true|}}
| 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)
|-
|-
| align="left" | '''Standards:'''
| 7 || Die Designated Bridge wird festgelegt, dies ist die Bridge mit dem Root-Port
| align="left" | IEEE-Normen 802.1D, 802.1w, 802.1s, IEEE 802.1aq, IEEE 802.1Q
|}
|}


=== 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


[[Datei:Spanning_tree_topology.png|1200px|thumb|Ein Beispiel für eine Spanning-Tree-Topologie|center]]
=== Bestimmung der Designated-Ports ===
Das Spanning Tree Protocol (STP, deutsch: Spannbaum-Protokoll) ist ein zentraler Teil von Switch-Infrastrukturen. Rechnernetzwerke können mit einer Vielzahl von Switches als Koppelungs-element aufgebaut werden.
; Jedes Segment hat einen Designated-Port
Allerdings muss die Ethernet-Technologie sicherstellen, dass zwischen zwei Rechnern jeweils nur ein Datenpfad existiert, um Pakete eindeutig weiterleiten zu können.
* Die Root Bridge hat nur Designated Ports
Die Vermeidung von Effekten wie Broadcast-Stürmen wird nur erreicht, wenn ein Algorithmus existiert, der die Schleifenfreiheit der Topologie sicherstellt.
* Wegekosten '0'
Der Spanning-Tree-Algorithmus sorgt nun dafür, dass es keine unerwünscht kreisenden Pakete gibt.
Er identifiziert Mehrfachwege, indem er Topologien mit redundanten Wegen durch eine logische Blockierung bestimmter Pfade in eine Baumtopologie überführt, die keine Schleifen besitzt.
Dazu werden auf den Switches mit mehreren Verbindungen zu anderen Switches alle bis auf eine Verbindung blockiert.
Bei Ausfall der primären Verbindung können diese sofort aktiviert werden und erzeugen auf diese Weise ein hohes Maß an Fehlertoleranz.


===Funktionsweise===
; Jedem ''Root-Port'' liegt ein ''Designated-Port' gegenüber
Um den logischen Spanning-Tree kennenzulernen, geht jeder Switch durch einen Ablauf von Portzuständen, die durch drei Timer beeinflusst werden.
* Auf Segmenten ohne Root-Port entscheiden die geringsten Wegekosten darüber
Wenn ein Switchport unmittelbar von einem blockierenden in einen weiterleitenden Status versetzt würde, bestünde die Gefahr, Topologie informationen zu verlieren und eine Schleife zu erzeugen.
* Sind die Wegekosten gleich, entscheidet die kleinste MAC Adresse welcher Switch den Designated-Port erhält
Dies ist der Grund, warum fünf Portzustände unterschieden werden:
* Dem Designated-Port liegt auf diesem Segment dann ein Blocked-Port gegenüber


{| class="wikitable"
=== 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 ===
{| class="wikitable big options"
! Bandbreite !! STP-Kosten
|-
|-
! Portzustand  !! Beschreibung
| 10 MBit/s || 100
|-
|-
| Disabled || Verwirft Frames; lernt keine Adressen; empfängt und verarbeitet keine BPDUs
| 16 MBit/s|| 62
|-
|-
| Blocking || Verwirft Frames; lernt keine Adressen; empfängt und verarbeitet BPDUs
| 100 MBit/s || 19
|-
|-
| Listening || Verwirft Frames; lernt keine Adressen; empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
| 200 MBit/s || 12
|-
|-
| Learning || Verwirft Frames; lernt Adressen; empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
| 622 MBit/s || 6
|-
|-
| Forwarding || Leitet Frames weiter, lernt Adressen; empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
| 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


{| class="wikitable options big"
! Zustand  !! Beschreibung
|-
| Disabled ||
* Verwirft Frames
* lernt keine Adressen
* empfängt und verarbeitet keine BPDUs
|-
| Blocking ||
* Verwirft Frames
* lernt keine Adressen
* empfängt und verarbeitet BPDUs
|-
| Listening ||
* Verwirft Frames
* lernt keine Adressen
* empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
|-
| Learning ||
* Verwirft Frames
* lernt Adressen
* empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
|-
| Forwarding ||
* Leitet Frames weiter
* lernt Adressen
* empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
|}


=== 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


Die Zeitspanne, die ein Port in einem Zustand verweilt, wird durch Timer bestimmt. Nur die Root-Bridge kann die Einstellungen verändern. Drei Timer beeinflussen den Zustandswechsel und damit die Ausführungsgeschwindigkeit des Algorithmus:
{| class="wikitable options big"
|-
! 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
|}


1.Common Internal Spanning Tree (CIST):Identifiziert Regionen in einem Netzwerk und verwaltet die CIST-Root-Bridge für das Netzwerk für jede Region und für jede Spanning Tree-Instanz in jeder Region. Es ist auch die Standard-Spanning-Tree-Instanz von MSTP, sodass jedes VLAN, das nicht Mitglied einer bestimmten MSTI ist, Mitglied der CIST ist. Funktioniert außerdem genauso wie der Spanning Tree, der zwischen Regionen und zwischen MST-Regionen und SST-Entitäten (Single Spanning Tree) ausgeführt wird.
== Bridge Protocol Data Unit (BPDU) ==
; Dateneinheit, die Briges/Switches austauschen, um Spanning Tree zu verwalten


{| class="header"
|+ '''Bridge Protocol Data Unit'''
|-
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 1 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 1 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 1 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 8 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
! style="text-align:center !important; font-weight: normal;" "width="8%"| 2 Byte
|-
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Protocol ID]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Version]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Message Type]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Flags]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Root ID]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Cost of Path]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Bridge ID]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Port-ID]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Message Age]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Max age]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Hello timer]]
| style="background-color:#aaffcc;" | [[Forward Delay]]
|}


2.Hello timer:
{| class="wikitable sortable options"
Legt fest, wie oft das Netzwerkgerät Hallo-Nachrichten an andere Netzwerkgeräte sendet.
|-
! Feld!!Beschreibung
|-
| Flags ||
* TC (Topology Change)
* TCA (Topology Change Acknowledgement)
siehe [[#Topologieänderungen]]
|-
| Root Bridge ID || ID der Root Bridge
|-
| Root Path Cost || Kosten für den kürzesten Weg von der Sendebrücke zur Wurzelbrücke
* Die Kosten betragen 0, wenn die sendende Brücke die Root-Brücke ist (oder glaubt, dass sie werden soll)
|-
| Bridge ID || ID der Sendebrücke
|-
| Port ID || Port-ID
* siehe [[#Bridge- und Port-IDs]]
|-
| 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 ===
[[Datei:Spanning tree topology.png| Beispiel einer Spanning Tree Topologie]]


3.Maximum age timer:
=== RSTP ===
Legt fest, wie lange Protokollinformationen, die an einem Port empfangen werden, vom Netzwerkgerät gespeichert werden.
; 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 ===
[[Datei:MSTP Concept.png|mini|MSTP]]
; Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)
* Erweiterung von [[#RSTP|RSTP]]


4. Forward Delay : 15 sec (4-30)
; Ermöglicht mit VLANs verschiedene Instanzen des Spannbaums
Die Vorwärtsverzögerung ist die Zeit, die im Zuhör- und Lernzustand verbracht wird.
* Für ein VLAN oder eine Gruppe von VLANs können unabhängige STP-Instanzen gebildet werden
Diese Zeit entspricht standardmäßig 15 Sekunden, Sie können die Zeit jedoch auf einen Wert zwischen 4 und 30 Sekunden einstellen.
** die innerhalb eines LANs jeweils eigene unterschiedliche Spannbäume nutzen


5. TxHoldCount : 5 pps (1-20)
=== CIST ===
Transmit-Hold-Count, wird von der Port Transmit-Statusmaschine verwendet, um die Übertragungsrate zu begrenzen.
; 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


6. Max Hops : 20 hop (1-40)
<noinclude>
Anzahl der Brücken, die BPDU in einem MSTP-fähigen Netzwerk in derselben Region passieren kann, bevor BPDU ignoriert wird.Diese Eigenschaft wirkt sich nur aus, wenn der Protokollmodus auf MSTP gesetzt ist.


Wenn STP aktiviert ist, passiert jeder Port auf jedem Switch die Zustände in der Reihenfolge:
== Anhang ==
Blocking – Listening – Learning – Forwarding.
=== Siehe auch ===
Für diesen Zustandsübergang werden in der Standard konfiguration 50 Sekunden benötigt eine im Netzwerkbereich relativ lange Zeitspanne.
{{Special:PrefixIndex/Spanning Tree Protocol}}
Die Konvergenz, also die Zeit, die benötigt wird, um den Spanning Tree im Falle des Ausfalls einer Verbindung neu zu berechnen, ist damit nicht unerheblich und ein Kritikpunkt an diesem Verfahren.
----
[[IEEE 802.1D]]


===RSTP===
==== Dokumentation ====
Die Idee hinter dem Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) ist, dass bei signalisierten Topologie änderungen nicht sofort die Netzstruktur gelöscht wird, sondern erst einmal wie gehabt weiter gearbeitet wird und Alternativpfade berechnet werden. 
===== IEEE-Normen =====
Erst anschließend wird ein neuer Baum zusammengestellt.
Die Ausfallzeit des Netzes lässt sich so von 30 Sekunden auf unter 1 Sekunde reduzieren.
In der 2003 verabschiedeten Revision des 802.1d-Standards wurde das alte STP zugunsten von RSTP (IEEE 802.1w) ersetzt.
Inzwischen ist dieses durch IEEE 802.1D-2004 ersetzt worden.


===MSTP===
{| class="wikitable sortable options"
Das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)ist eine Erweiterung des RSTPs.  
|-
Es ermöglicht im Zusammenhang mit Virtual Local Area Networks(VLANs) verschiedene Instanzen des Spannbaums.  
! IEEE-Norm !! Beschreibung
Für ein VLAN oder eine Gruppe von VLANs können also voneinander unabhängige STP-Instanzen gebildet werden, die innerhalb eines LANs jeweils eigene unterschiedliche Spannbäume nutzen.
|-
Das MSTP wurde ebenfalls erstmals in der 2003 verabschiedeten Revision des 802.1D-
| [[802.1D]] ||
Standards unter IEEE 802.1s definiert und später unter IEEE 802.1Q eingegliedert.
|-
| [[802.1w]] ||
|-
| [[802.1s]] ||
|-
| [[802.1aq]] ||
|-
| [[802.1Q]] ||
|}


===Shortest Path Bridging (SPB)===
==== Links ====
Um die Begrenzungen des Spanning Tree Protocol zu überwinden, wurde das Shortest Path Bridging entwickelt und in IEEE 802.1aq standardisiert.
===== Weblinks =====
→Hauptartikel: IEEE 802.1aq
# https://de.wikipedia.org/wiki/Spanning_Tree_Protocol
  https://de.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.1aq


===Schrittweiser Aufbau des Baumes===
[[Kategorie:Switch]]
# Einschalten („Power up“) aller Bridges.
[[Kategorie:T2600G/L2/STP]]
# Alle Bridges stellen ihre Ports auf „Blocked“. 
[[Kategorie:OSI/2 Data Link]]
# Jede Bridge nimmt an, sie sei die Root-Bridge, und sendet BPDUs (Bridge Protocol Data Unit) aus.
<noinclude>
# Die Bridge mit der kleinsten Bridge-ID(= Priority & MAC-Adresse) wird zur Root-Bridge.
# Die Root-Bridge sendet Konfigurations-BPDUs aus.
# 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.
# Die Designated Bridge wird vom LAN festgelegt, dies ist die Bridge mit dem Root-Port ins LAN mit den niedrigsten Pfadkosten.

Aktuelle Version vom 8. Februar 2024, 09:36 Uhr

Spanning Tree Protocol - Schleifenunterdrückung bei redundanten Verbindungen zwischen Bridges oder Switches

Beschreibung

Unterdrückung kreisender Frames

STP (Spanning Tree Protocol)
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
Beispiel einer Spanning Tree Topologie
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
  • Verwirft Frames
  • lernt keine Adressen
  • empfängt und verarbeitet keine BPDUs
Blocking
  • Verwirft Frames
  • lernt keine Adressen
  • empfängt und verarbeitet BPDUs
Listening
  • Verwirft Frames
  • lernt keine Adressen
  • empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
Learning
  • Verwirft Frames
  • lernt Adressen
  • empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs
Forwarding
  • Leitet Frames weiter
  • lernt Adressen
  • empfängt, verarbeitet und überträgt BPDUs

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
Bridge Protocol Data Unit
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
  • TC (Topology Change)
  • TCA (Topology Change Acknowledgement)

siehe #Topologieänderungen

Root Bridge ID ID der Root Bridge
Root Path Cost Kosten für den kürzesten Weg von der Sendebrücke zur Wurzelbrücke
  • Die Kosten betragen 0, wenn die sendende Brücke die Root-Brücke ist (oder glaubt, dass sie werden soll)
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

Beispiel einer Spanning Tree Topologie

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

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

IEEE 802.1D

Dokumentation

IEEE-Normen
IEEE-Norm Beschreibung
802.1D
802.1w
802.1s
802.1aq
802.1Q

Links

Weblinks
  1. https://de.wikipedia.org/wiki/Spanning_Tree_Protocol
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