Spanning Tree Protocol

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

Beschreibung

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

Spanning-Tree sorgt dafür, dass es keine unerwünscht kreisenden Pakete gibt

• 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 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

• Schleifenfreie logische Topologie zwischen Switches und Bridges

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

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

Für diesen Zustandsübergang werden in der Standardkonfiguration 50 Sekunden benötigt

Timer

Zeitspanne in der 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

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

Topologie

STP

RSTP

Gleichen Funktionen wie STP

Viel 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

Bridge Protocol Data Unit

Die Bridge Protocol Data Unit (BPDU) ist die Dateneinheit, die Briges und Switches austauschen, um den 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	Es werden zwei Flags verwendet: TC (Topology Change) TCA (Topology Change Acknowledgement). Die Verwendung von beiden wird im Abschnitt "Topologieänderungen" beschrieben.
Root Bridge ID	ID der Root Bridge. Dies ist, was die sendende Brücke für die aktuelle Root-Bridge hält.
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. Die Syntax finden Sie im Abschnitt "Bridge- und Port-IDs".
Message Age	Wie viel Zeit ist vergangen, 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

Siehe auch

1. Switch

Links

Weblinks

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/
5. Appendix E: Broadcasts in Switched LAN Internetworks [1]
6. Defense Against the DoS/DDoS Attacks on Cisco Routers [2] (Memento vom 21. Juni 2011 im Internetarchive) (englisch)
7. Disassociation Broadcast Attack Using ESSID Jack [3]
8. The Broadcast Storm Problem in a Mobile Ad Hoc Network [4] (PDF; 1,2 MB)

Testfragen

Testfrage 1

Antwort1

Testfrage 2

Antwort2

Testfrage 3

Antwort3

Testfrage 4

Antwort4

Testfrage 5

Antwort5

Testfragen

Warum wird das Spanning Tree Protocol eingesetzt?

• Vermeidung von Schleifen in Netzwerken mit redundanten Verbindungen
• Vermeidung von Broadcaststürmen
• STP verhindert dies durch logische Pfade und blockieren von entsprechenden Ports der Switches oder Bridges

Wie wird die Root-Brigde ermittelt?

• Eine Root Bridge wird anhand Ihrer Bridge ID ermittelt
• Die Bridge mit der niedrigsten Brigde ID' wird Root Bridge

Wie kann die Wahl der Root Bridge beeinflusst werden?

• Man kann die Priorität der Bridge in 4096 Schritten ändern
• Standardmäßig hat eine Bridge im Werkszustand eine Priorität von 32768
• Diese kann z.B. senken

Pfadkosten: Etage01 zu Core = 10Gbit -> 10.000.000.000 / 10GBit = Pfadkosten 1 Gesamt Pfadkosten Port 25 = 1

Etage01 über Etage02 = 1Gbit -> 10.000.000.000 / 1Gbit = Pfadkosten 10 Etage02 zu Core = 10Gbit -> 10.000.000.000 / 10Gbit = Pfadkosten 1 Gesamt Pfadkosten Port 26 = 11

Welcher Port wird deaktiviert?

Port 26 wird deaktiviert, da Pfadkosten > Pfadkosten Port 25