Spanning Tree Protocol

Das Spanning Tree

STP (Spanning Tree Protocol)
Familie:	Inter-Switch-Kommunikation
Einsatzgebiet:	Management von logischen Ethernet-Verbindungen
Netzzugang:	STP / Ethernet
Standards:	IEEE-Normen 802.1D, 802.1w, 802.1s, IEEE 802.1aq, IEEE 802.1Q

Schleifen

• Spanning Tree ist eins der grundlegenden Protokolle in Ethernet-Netzwerken.
• Erreicht die Schleifenfreiheit, indem es bestimmte Verbindungen zwischen Switches deaktiviert.

Spanning Tree–Algorithmus

Ein Beispiel für eine Spanning Tree Algorithm

Alle Bridge-Links gemeinsam würden redundante Pfade im Netz ermöglichen, was endlos kreisende Pakete zur Folge hätte.

• Der Algorithmus ist 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.
• 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.

Aufbau des Spanning Tree

Arbeitsweise

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:
  • Bridge: Eindeutige Bridge-ID.
  • 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).

Auswahl der Root-Bridge

• 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.

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.

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.

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.

Kosten

Verbindungskosten
Bandbreite	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

• Bei der Wahl der Root Ports und der Designated Ports, spielen die Verbindungskosten eine wichtige Rolle.
• Die Spanning-Tree-Standardkosten für unterschiedliche Bandbreiten stellt Tabelle dar.
• Die vordefinierten Werte führen allerdings dazu, dass eine 40- und eine 100-GBit-Verbindung die gleichen Spanning-Tree-Kosten ergeben wie auch ein PortChannel aus zwei 10-GBit-Verbindungen, bei dem sich die Kosten aus der Gesamtbandbreite aller zusammengefügten Verbindungen berechnet.
• Um in solchen Situationen detaillierter zu reagieren, sind die Spanning-Tree-Verbindungskosten falls nötig pro Port einzeln konfigurierbar.

Portzustände

Um die logische Netzwerktopologie kennen zu lernen, durchläuft jeder Trunk-Port folgende Zustände:

Portzustand	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

Wenn STP aktiviert ist, passiert jeder Port auf jedem Switch die Zustände in der Reihenfolge:

Blocking – Listening – Learning – Forwarding.

• Für diesen Zustandsübergang werden in der Standard konfiguration 50 Sekunden benötigt.

Timer

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:

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

• 15 sec (4-30)Die Vorwärtsverzögerung ist die Zeit, die im Zuhör- und Lernzustand verbracht wird.
• Diese Zeit entspricht standardmäßig 15 Sekunden, Sie können die Zeit jedoch auf einen Wert zwischen 4 und 30 Sekunden einstellen.

STP Topologie Beispiel

• Rechnernetzwerke können mit einer Vielzahl von Switches als Koppelungs-element aufgebaut werden.
• 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.

RSTP

• RSTP bietet die gleichen Funktionen wie STP, nur kann RSTP eine viel schnellere Konvergenz zwischen den einzelnen Bäumen bieten.
• Bei signalisierten Topologie Änderungen, wird die vorhandene Netzstruktur weiter genutzt, während ein Alternativpfad berechnet wird.
• Erst anschließend wird ein neuer Baum zusammengestellt.

MSTP

• Das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)ist eine Erweiterung des RSTPs.
• Es ermöglicht im Zusammenhang mit VLANs verschiedene Instanzen des Spannbaums.
• 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.

Shortest Path Bridging (SPB)

• Um die Begrenzungen des Spanning Tree Protocol zu überwinden, wurde das Shortest Path Bridging entwickelt und in IEEE 802.1aq standardisiert (https://de.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.1aq)

Schrittweiser Aufbau des Baumes

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 BPDUs (Bridge Protocol Data Unit) aus.
4. Die Bridge mit der kleinsten Bridge-ID(= Priority & MAC-Adresse) wird zur Root-Bridge.
5. Die Root-Bridge sendet Konfigurations-BPDUs 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.

1. Die Designated Bridge wird vom LAN festgelegt, dies ist die Bridge mit dem Root-Port ins LAN mit den niedrigsten Pfadkosten.

Links

Interne Links

1. Linux:Befehl:minicom

Externe Links

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Spanning_Tree_Protocol
2. https://www.admin-magazin.de/Das-Heft/2014/03/Wie-organisiert-Spanning-Tree-ein-Ethernet-Netzwerk
3. http://www.bbs-1.de/bbs1/umat/netze/netz7.html
4. https://www.tp-link.com/us/configuration-guides/configuring_spanning_tree/