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
- Einschalten („Power up“) aller Bridges.
- Alle Bridges stellen ihre Ports auf „Blocked“.
- Jede Bridge nimmt an, sie sei die Root-Bridge, und sendet BPDUs (Bridge Protocol Data Unit) aus.
- 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.