Протокол связующего дерева

Протокол связующего дерева ( STP ) — это сетевой протокол без петель , который создает логическую топологию для сетей Ethernet . Основная функция STP — предотвращение образования петель моста и широковещательного излучения возникающего из-за них . Связующее дерево также позволяет структуру сети включать в резервные каналы, обеспечивающие отказоустойчивость в случае сбоя активного канала.

Как следует из названия, STP создает связующее дерево , которое характеризует взаимоотношения узлов в сети соединенных мостов уровня 2 , и отключает те ссылки, которые не являются частью связующего дерева, оставляя единственный активный путь между любыми двумя сетевыми узлами. STP основан на алгоритме, который был изобретен Радией Перлман, когда она работала в Digital Equipment Corporation .

В 2001 году IEEE представил протокол Rapid Spanning Tree ( RSTP ) как 802.1w. RSTP обеспечивает значительно более быстрое восстановление в ответ на изменения или сбои в сети, предлагая для этого новые методы конвергенции и роли портов моста. RSTP был разработан с учетом обратной совместимости со стандартом STP.

Первоначально STP был стандартизирован как IEEE 802.1D, но функциональность связующего дерева (802.1D), быстрого связующего дерева (802.1w) и множественного связующего дерева (802.1s) с тех пор была включена в IEEE 802.1Q-2014 .

Хотя STP все еще используется сегодня, в большинстве современных сетей его основное использование — это механизм защиты от петель, а не механизм отказоустойчивости. Протоколы агрегации каналов, такие как LACP, объединяют два или более каналов для обеспечения отказоустойчивости и одновременного увеличения общей пропускной способности канала.

Протокол работы

Коммутаторы с реализацией протокола связующего дерева в локальной сети (LAN). STP Одним из коммутаторов является корневой мост . Все порты коммутатора, соединяющие два коммутатора, являются либо корневым портом (RP), назначенным портом (DP) или заблокированным портом (BP).

После сбоя канала алгоритм связующего дерева вычисляет и охватывает новое дерево с наименьшей стоимостью.

Коммутаторы с реализацией протокола связующего дерева в локальной сети (LAN)

Потребность в протоколе связующего дерева (STP) возникла потому, что коммутаторы в локальных сетях (LAN) часто соединяются между собой с использованием резервных каналов для повышения устойчивости в случае сбоя одного соединения. Однако эта конфигурация соединения создает цикл переключения , приводящий к широковещательному излучению и нестабильности таблицы MAC . Если для подключения коммутаторов используются резервные каналы, то следует избегать петель коммутации.

Чтобы избежать проблем, связанных с избыточными каналами в коммутируемой локальной сети, на коммутаторах реализован STP для мониторинга топологии сети. Каждое соединение между коммутаторами, и в частности резервные соединения, каталогизировано. Затем алгоритм связующего дерева блокирует пересылку по резервным каналам, настраивая один предпочтительный канал между коммутаторами в локальной сети. Этот предпочтительный канал используется для всех кадров Ethernet, если он не выходит из строя, и в этом случае включается непредпочтительный резервный канал. При реализации в сети STP назначает один коммутатор уровня 2 корневым мостом . Затем все коммутаторы выбирают лучшее соединение с корневым мостом для пересылки и блокируют другие резервные каналы. Все коммутаторы постоянно обмениваются данными со своими соседями в локальной сети, используя § блоки данных протокола моста (BPDU).

При наличии более одного канала между двумя коммутаторами корневой мост STP рассчитывает стоимость каждого пути на основе пропускной способности. STP выберет путь с наименьшей стоимостью, то есть с самой высокой пропускной способностью, в качестве предпочтительного канала. STP включит этот предпочтительный канал в качестве единственного пути, который будет использоваться для кадров Ethernet между двумя коммутаторами, и отключит все остальные возможные каналы, назначив порты коммутатора, которые соединяют предпочтительный путь, корневым портом .

После того, как коммутаторы с поддержкой STP в локальной сети выбрали корневой мост, все некорневые мосты назначают один из своих портов в качестве корневого порта. Это либо порт, который соединяет коммутатор с корневым мостом, либо, если существует несколько путей, порт с предпочтительным путем, рассчитанным корневым мостом. Поскольку не все коммутаторы напрямую подключены к корневому мосту, они взаимодействуют друг с другом с помощью STP BPDU. Каждый коммутатор добавляет стоимость своего пути к стоимости, полученной от соседних коммутаторов, чтобы определить общую стоимость данного пути до корневого моста. После суммирования стоимости всех возможных путей к корневому мосту каждый коммутатор назначает порт в качестве корневого порта, который подключается к пути с наименьшей стоимостью или самой высокой пропускной способностью, который в конечном итоге приведет к корневому мосту.

Стоимость пути

Стоимость пути для различной скорости порта и вариации STP

Скорость передачи данных (пропускная способность канала)	Исходная стоимость STP (802.1D-1998)	Стоимость RSTP/MSTP (рекомендуемое значение)
4 Мбит/с	250	5,000,000
10 Мбит/с	100	2,000,000
16 Мбит/с	62	1,250,000
100 Мбит/с	19	200,000
1 Гбит/с	4	20,000
2 Гбит/с	3	10,000
10 Гбит/с	2	2,000
100 Гбит/с	Н/Д	200
1 Tbit/s	Н/Д	20

Стоимость пути STP по умолчанию изначально рассчитывалась по формуле ⁠ 1 Гбит/с / пропускная способность ⁠ . Когда стали доступны более высокие скорости, значения по умолчанию были скорректированы, поскольку в противном случае скорости выше 1 Гбит/с были бы неразличимы для STP. Его преемник RSTP использует аналогичную формулу с большим числителем: ⁠ 20 Тбит/с / пропускная способность ⁠ . Эти формулы приводят к образцам значений в таблице.

Государства порта

Все порты коммутатора в локальной сети, где включен STP, распределены по категориям.

Блокировка

Порт, который мог бы вызвать петлю переключения, если бы был активен. Чтобы предотвратить использование закольцованных путей, никакие пользовательские данные не отправляются и не принимаются через блокирующий порт. Данные BPDU по-прежнему принимаются в состоянии блокировки. Заблокированный порт может перейти в режим пересылки, если другие используемые каналы выходят из строя и алгоритм связующего дерева определяет, что порт может перейти в состояние пересылки.

Прослушивание

Коммутатор обрабатывает BPDU и ожидает возможной новой информации, которая заставит его вернуться в состояние блокировки. Он не заполняет таблицу MAC и не пересылает кадры.

Обучение

Хотя порт еще не пересылает кадры, он изучает адреса источника из полученных кадров и добавляет их в таблицу MAC.

Пересылка

Порт в обычном режиме, принимает и пересылает кадры. Порт отслеживает входящие BPDU, которые указывают на то, что ему следует вернуться в состояние блокировки, чтобы предотвратить образование петель.

Неполноценный

Сетевой администратор вручную отключил порт коммутатора.

Когда устройство впервые подключается к порту коммутатора, оно не сразу начинает пересылку данных. Вместо этого он пройдет ряд состояний, пока обрабатывает BPDU и определяет топологию сети. Порт, подключенный к хосту, такому как компьютер, принтер или сервер, всегда переходит в состояние пересылки, хотя и после задержки примерно в 30 секунд, пока он проходит состояния прослушивания и обучения. Время, проведенное в состояниях прослушивания и обучения, определяется значением, известным как задержка пересылки (по умолчанию 15 секунд и устанавливается корневым мостом). Если другой коммутатор подключен , порт может оставаться в режиме блокировки, если будет установлено, что это приведет к образованию петли в сети. BPDU уведомления об изменении топологии (TCN) используются для информирования других коммутаторов об изменениях порта. TCN вводятся в сеть некорневым коммутатором и распространяются на корень. После получения TCN корневой коммутатор установит флаг изменения топологии в своих обычных BPDU. Этот флаг распространяется на все остальные коммутаторы и дает им указание быстро устаревать записи таблицы пересылки.

Конфигурация

Перед настройкой STP необходимо тщательно спланировать топологию сети. Базовая конфигурация требует, чтобы STP был включен на всех коммутаторах в локальной сети и на каждом из них была выбрана одна и та же версия STP. Администратор может определить, какой коммутатор будет корневым мостом, и соответствующим образом настроить коммутаторы. Если корневой мост выйдет из строя, протокол автоматически назначит новый корневой мост на основе идентификатора моста. Если все коммутаторы имеют одинаковый идентификатор моста, например идентификатор по умолчанию, и корневой мост выходит из строя, возникает ситуация связи, и протокол назначит один коммутатор в качестве корневого моста на основе MAC-адресов коммутатора. После того как коммутаторам назначен идентификатор моста и протокол выбрал корневой коммутатор моста, лучший путь к корневому мосту рассчитывается на основе стоимости порта, стоимости пути и приоритета порта. В конечном итоге STP вычисляет стоимость пути на основе пропускной способности канала, однако каналы между коммутаторами могут иметь одинаковую пропускную способность. Администраторы могут влиять на выбор протоколом предпочтительного пути, настроив стоимость порта. Чем ниже стоимость порта, тем больше вероятность того, что протокол выберет подключенный канал в качестве корневого порта для предпочтительного пути. На выбор того, как другие коммутаторы в топологии выбирают свой корневой порт или наименее затратный путь к корневому мосту, может влиять приоритет порта. Самый высокий приоритет будет означать, что путь в конечном итоге будет менее предпочтительным. Если все порты коммутатора имеют одинаковый приоритет, для пересылки кадров выбирается порт с наименьшим номером.

Корневой мост и идентификатор моста

Пример сети. Пронумерованные поля обозначают мосты, то есть коммутаторы в локальной сети. Число является идентификатором моста. Облака с буквами представляют собой сегменты сети . Наименьший идентификатор моста — 3. Следовательно, мост 3 является корневым мостом.

Корневой мост связующего дерева — это мост с наименьшим (самым низким) идентификатором моста. Каждый мост имеет настраиваемый номер приоритета и MAC-адрес; идентификатор моста представляет собой объединение приоритета моста и MAC-адреса. Например, идентификатор моста с приоритетом 32768 и MAC 0200.0000.1111 — 32768.0200.0000.1111 . Приоритет моста по умолчанию равен 32 768 и может быть настроен только кратным 4096. При сравнении двух идентификаторов моста сначала сравниваются части приоритета, а MAC-адреса сравниваются только в том случае, если приоритеты равны. Коммутатор с наименьшим приоритетом из всех коммутаторов будет корневым; если есть связь, то корневым будет коммутатор с наименьшим приоритетом и наименьшим MAC-адресом. Например, если коммутаторы A (MAC = 0200.0000.1111 ) и B (MAC = 0200.0000.2222 ) имеют приоритет 32768, то коммутатор A будет выбран в качестве корневого моста. Если сетевые администраторы хотят, чтобы коммутатор B стал корневым мостом, они должны установить его приоритет менее 32 768.

Путь к корневому мосту

Последовательность событий для определения наилучшего полученного BPDU (который является лучшим путем к корню):

1. Самый низкий идентификатор корневого моста (BID) — определяет корневой мост.
2. Самая низкая стоимость корневого моста — предпочтение отдается восходящему коммутатору с наименьшей стоимостью корневого моста.
3. Наименьший идентификатор моста отправителя — служит средством разрешения конфликтов, если несколько вышестоящих коммутаторов имеют одинаковую стоимость корневого доступа.
4. Наименьший идентификатор порта отправителя. Служит средством разрешения конфликтов, если коммутатор имеет несколько каналов (не EtherChannel) к одному восходящему коммутатору, где:
   • Идентификатор моста = приоритет (4 бита) + локально назначенное расширение идентификатора системы (12 бит) + идентификатор [MAC-адрес] (48 бит); приоритет моста по умолчанию — 32 768, и
   • Идентификатор порта = приоритет (4 бита) + ID (номер интерфейса) (12 бит); приоритет порта по умолчанию — 128.

Размыкатели связей

Связывание пути: путь с наименьшей стоимостью к корню из сегмента сети e проходит через мост 92. Следовательно, назначенный порт для сегмента сети e — это порт, который соединяет мост 92 с сегментом сети e.

Корневые порты

Если несколько путей от моста являются путями с наименьшей стоимостью, выбранный путь использует соседний мост с меньшим идентификатором моста. Таким образом, корневым портом является порт, подключающийся к мосту с наименьшим идентификатором моста. Например, на рисунках, если бы коммутатор 4 был подключен к сегменту сети d вместо сегмента f, к корню было бы два пути длиной 2: один путь проходил через мост 24, а другой — через мост 92. пути с наименьшей стоимостью, идентификатор нижнего моста (24) будет использоваться в качестве разрешения конфликтов при выборе пути.

Пути

Если более одного моста в сегменте ведут к пути с наименьшей стоимостью к корню, мост с меньшим идентификатором моста используется для пересылки сообщений в корень. Порт, соединяющий этот мост с сетевым сегментом, является назначенным портом для этого сегмента. На рисунках показаны два пути с наименьшей стоимостью от сегмента сети d до корня: один проходит через мост 24, а другой через мост 92. Идентификатор нижнего моста равен 24, поэтому устройство разрешения конфликтов определяет, что назначенным портом является порт, проходящий через мост. какой сегмент сети d подключен к мосту 24. Если бы идентификаторы мостов были равны, то мост с наименьшим MAC-адресом имел бы назначенный порт. В любом случае проигравший устанавливает порт как заблокированный.

Назначенные порты

Когда корневой мост имеет более одного порта в одном сегменте сети, идентификатор моста фактически привязан, как и все затраты корневого пути (все они равны нулю). Порт в этом сегменте сети с наименьшим идентификатором порта становится назначенным портом. Он переводится в режим пересылки, в то время как все остальные порты корневого моста в том же сегменте сети становятся неназначенными портами и переводятся в режим блокировки. Не все производители мостов следуют этому правилу, вместо этого назначая все порты корневого моста портами и переводя их все в режим пересылки.

Финальный тай-брейк

В некоторых случаях связь все же может иметь место, например, когда корневой мост имеет несколько активных портов в одном и том же сегменте сети (см. выше) с одинаково низкими затратами корневого пути и идентификаторами моста, или, в других случаях, несколько мостов соединены несколько кабелей и несколько портов. В каждом случае у одного моста может быть несколько кандидатов на роль корневого порта. В этих случаях кандидаты на корневой порт уже получили BPDU, предлагающие одинаково низкую (т. е. «лучшую») стоимость корневого пути и одинаково низкие (т. е. «лучшие») идентификаторы моста, и последний тай-брейкер переходит к порту, который получил самый низкий (т.е. «лучший») идентификатор приоритета порта или идентификатор порта.

Блоки данных протокола моста

Приведенные выше правила описывают один из способов определения того, какое связующее дерево будет вычисляться алгоритмом, но написанные правила требуют знания всей сети. Мосты должны определить корневой мост и вычислить роли портов (корневой, назначенный или заблокированный) , используя только имеющуюся у них информацию. Чтобы гарантировать, что каждый мост имеет достаточно информации, мосты используют специальные кадры данных , называемые блоками данных протокола моста (BPDU), для обмена информацией о протоколе связующего дерева, идентификаторах моста и стоимости корневого пути.

Мост отправляет кадр BPDU, используя уникальный MAC-адрес самого порта в качестве адреса источника и адрес назначения многоадресного адреса STP с MAC-адресом назначения 01:80:C2:00:00:00 , или 01:00:0C:CC:CC:CD для собственного связующего дерева для каждой VLAN Cisco .

В исходной спецификации STP (802.1D) существует два типа BPDU. (расширение Rapid Spanning Tree (RSTP) использует специальный RSTP BPDU):

• Конфигурационный BPDU (CBPDU), используемый для вычисления связующего дерева и отправляемый корневыми мостами для предоставления информации всем коммутаторам.
• BPDU уведомления об изменении топологии (TCN), используемый для объявления об изменениях в топологии сети, таких как увеличение или уменьшение порта.

Обмен BPDU осуществляется регулярно (по умолчанию каждые 2 секунды) и позволяет коммутаторам отслеживать изменения в сети, а также запускать и останавливать пересылку на портах по мере необходимости. Для предотвращения задержек при подключении хостов к коммутатору и во время некоторых изменений топологии был разработан Rapid STP , который позволяет порту коммутатора быстро переходить в состояние пересылки в таких ситуациях.

Поля блоков данных протокола моста

BPDU IEEE 802.1D и IEEE 802.1aq имеют следующий формат:

 1. Protocol ID:    2 bytes (0x0000 IEEE 802.1D)
 2. Version ID:     1 byte (0x00 Config & TCN / 0x02 RST / 0x03 MST / 0x04 SPT  BPDU) 
 3. BPDU Type:      1 byte (0x00 STP Config BPDU, 0x80 TCN BPDU, 0x02 RST/MST Config BPDU)
 4. Flags:          1 byte
   bits  : usage
       1 : 0 or 1 for Topology Change
       2 : 0 (unused) or 1 for Proposal in RST/MST/SPT BPDU
     3–4 : 00 (unused) or
           01 for Port Role Alternate/Backup in RST/MST/SPT BPDU
           10 for Port Role Root in RST/MST/SPT BPDU
           11 for Port Role Designated in RST/MST/SPT BPDU
       5 : 0 (unused) or 1 for Learning in RST/MST/SPT BPDU
       6 : 0 (unused) or 1 for Forwarding in RST/MST/SPT BPDU
       7 : 0 (unused) or 1 for Agreement in RST/MST/SPT BPDU
       8 : 0 or 1 for Topology Change Acknowledgement
 5. Root ID:        8 bytes (CIST Root ID in MST/SPT BPDU)
   bits  : usage
     1–4 : Root Bridge Priority
    5–16 : Root Bridge System ID Extension
   17–64 : Root Bridge MAC Address
 6. Root Path Cost: 4 bytes (CIST External Path Cost in MST/SPT BPDU)
 7. Bridge ID:      8 bytes (CIST Regional Root ID in MST/SPT BPDU)
   bits  : usage
     1–4 : Bridge Priority
    5–16 : Bridge System ID Extension
   17–64 : Bridge MAC Address
  8. Port ID:       2 bytes
  9. Message Age:   2 bytes in 1/256 secs
 10. Max Age:       2 bytes in 1/256 secs
 11. Hello Time:    2 bytes in 1/256 secs
 12. Forward Delay: 2 bytes in 1/256 secs
 13. Version 1 Length: 1 byte (0x00 no ver 1 protocol info present. RST, MST, SPT BPDU only)
 14. Version 3 Length: 2 bytes (MST, SPT BPDU only)
 
 The TCN BPDU includes fields 1–3 only.

Стандарты протокола связующего дерева

Первый протокол связующего дерева был изобретен в 1985 году в Digital Equipment Corporation Радией Перлман . В 1990 году IEEE опубликовал первый стандарт протокола 802.1D. на основе алгоритма, разработанного Перлманом. Последующие версии были опубликованы в 1998 году. и 2004 г., включая различные расширения. Оригинальный протокол связующего дерева, вдохновленный Перлманом, называемый DEC STP, не является стандартом и отличается от версии IEEE форматом сообщений, а также настройками таймера. Некоторые мосты реализуют версии протокола связующего дерева как IEEE, так и DEC, но их взаимодействие может создать проблемы для сетевого администратора.

различных реализаций стандарта не гарантируется Совместимость , например, из-за различий в настройках таймера по умолчанию. IEEE рекомендует поставщикам предоставлять Заявление о соответствии реализации протокола , в котором указывается, какие возможности и опции были реализованы. чтобы помочь пользователям определить, будут ли различные реализации корректно взаимодействовать.

Протокол быстрого связующего дерева

Не путать с протоколом потоковой передачи в реальном времени .

В 2001 году IEEE представил протокол быстрого связующего дерева (RSTP) как IEEE 802.1w . Затем RSTP был включен в IEEE 802.1D-2004, что сделало первоначальный стандарт STP устаревшим. RSTP был разработан с учетом обратной совместимости со стандартом STP.

RSTP обеспечивает значительно более быструю конвергенцию связующего дерева после изменения топологии, вводя для этого новые способы конвергенции и роли портов моста. В то время как STP может занять от 30 до 50 секунд, чтобы отреагировать на изменение топологии, RSTP обычно может ответить на изменения в течение 3 раз приветствия (по умолчанию: 3 × 2 секунды) или в течение нескольких миллисекунд после сбоя физического канала. Время приветствия — это важный и настраиваемый временной интервал, который используется RSTP для нескольких целей; его значение по умолчанию составляет 2 секунды.

Операция быстрого связующего дерева

RSTP добавляет новые роли портов моста, чтобы ускорить конвергенцию после сбоя канала:

• Корневой порт — порт переадресации, который является лучшим портом от некорневого моста к корневому мосту.
• Назначенный — порт переадресации для каждого сегмента сети.
• Альтернативный — альтернативный путь к корневому мосту. Этот путь отличается от использования корневого порта
• Резервное копирование — резервный/резервный путь к сегменту, к которому уже подключен другой порт моста.
• Отключено — не является строго частью STP, администратор сети может вручную отключить порт.

Количество состояний порта коммутатора, в которых он может находиться, было уменьшено до трех вместо первоначальных пяти в STP:

• Discarding  — пользовательские данные через порт не передаются.
• Обучение . Порт еще не пересылает кадры, но заполняет свою таблицу MAC-адресов.
• Переадресация - Порт полностью работоспособен

Подробности эксплуатации RSTP:

• Обнаружение сбоя корневого коммутатора выполняется за 3 раза приветствия, что составляет 6 секунд, если время приветствия по умолчанию не было изменено.
• Порты можно настроить как пограничные порты, если они подключены к локальной сети, к которой не подключены другие мосты (в зависимости от поставщика, режима администрирования или режима быстрого порта ). Эти пограничные порты переходят непосредственно в состояние пересылки, избегая проблем с хостами, ожидающими немедленной работы предстоящего соединения, например, с DHCP . RSTP по-прежнему продолжает контролировать порт на наличие BPDU в случае подключения моста. RSTP также можно настроить для автоматического обнаружения граничных портов. Как только мост обнаруживает BPDU, поступающий на пограничный порт, порт становится неграничным портом.
• RSTP называет соединение между двумя или более коммутаторами соединением «канального типа». Предполагается, что порт, работающий в полнодуплексном режиме, является каналом «точка-точка», тогда как полудуплексный порт (через концентратор) по умолчанию считается общим портом. Эту автоматическую настройку типа ссылки можно переопределить путем явной настройки. RSTP улучшает конвергенцию на каналах «точка-точка» за счет сокращения максимального времени ожидания до трехкратного интервала Hello, удаления состояния прослушивания STP и обмена рукопожатием между двумя коммутаторами для быстрого перевода порта в состояние пересылки. RSTP не делает ничего отличного от STP на общих ссылках.
• В отличие от STP, RSTP будет отвечать на BPDU, отправленные со стороны корневого моста. Мост RSTP будет предлагать информацию о связующем дереве назначенным портам. Если другой мост RSTP получает эту информацию и определяет, что это информация о вышестоящем корне, он устанавливает все остальные порты в режим отбрасывания. Мост может отправить согласие первому мосту, подтверждающее его превосходящую информацию связующего дерева. Первый мост, получив это соглашение, знает, что может быстро перевести этот порт в состояние пересылки, минуя переход состояния прослушивания/обучения. По сути, это создает каскадный эффект от корневого моста, где каждый назначенный мост предлагает своим соседям определить, может ли он совершить быстрый переход. Это один из основных элементов, который позволяет RSTP достичь более быстрого времени сходимости, чем STP.
• Как обсуждалось выше в деталях роли порта, RSTP сохраняет резервные данные, касающиеся статуса отбрасывания портов. Это позволяет избежать тайм-аутов, если текущие порты пересылки вышли из строя или BPDU не были получены на корневом порту в течение определенного интервала.
• RSTP вернется к устаревшему STP на интерфейсе, если на этом порту будет обнаружена устаревшая версия STP BPDU.

Стандарты для VLAN

STP и RSTP не разделяют порты коммутатора по VLAN. Однако в Ethernet средах с коммутацией , где существует несколько VLAN , часто желательно создать несколько связующих деревьев, чтобы трафик в разных VLAN использовал разные каналы.

Собственные стандарты

До того, как IEEE опубликовал стандарт протокола связующего дерева для VLAN, ряд поставщиков, продававших коммутаторы с поддержкой VLAN, разработали свои собственные версии протокола связующего дерева, поддерживающие VLAN. Cisco разработала, внедрила и опубликовала связующего дерева Per-VLAN ( PVST ), собственный протокол использующий собственный протокол Inter-Switch Link (ISL) для инкапсуляции VLAN , и PVST+, который использует инкапсуляцию VLAN 802.1Q . Оба стандарта реализуют отдельное связующее дерево для каждой VLAN. Коммутаторы Cisco теперь обычно реализуют PVST+ и могут реализовывать связующие деревья для VLAN только в том случае, если другие коммутаторы в локальной сети реализуют тот же протокол VLAN STP. HP обеспечивает совместимость PVST и PVST+ в некоторых своих сетевых коммутаторах. Некоторые устройства от Force10 Networks , Alcatel-Lucent , Extreme Networks , Avaya , Brocade Communications Systems и BLADE Network Technologies поддерживают PVST+. Extreme Networks делает это с двумя ограничениями: отсутствие поддержки портов, где VLAN является нетегированной/собственной, а также VLAN с идентификатором 1. PVST+ может туннелировать через регион MSTP .

Производитель коммутаторов Juniper Networks, в свою очередь, разработал и внедрил протокол связующего дерева VLAN (VSTP) для обеспечения совместимости с PVST Cisco, чтобы коммутаторы обоих производителей могли быть включены в одну локальную сеть. Протокол VSTP поддерживается только сериями EX и MX от Juniper Networks. Существует два ограничения совместимости VSTP:

1. VSTP поддерживает только 253 различных топологии связующего дерева. Если имеется более 253 VLAN, рекомендуется настроить RSTP в дополнение к VSTP, а VLAN, число которых превышает 253, будут обрабатываться RSTP.
2. MVRP не поддерживает VSTP. Если этот протокол используется, членство в VLAN для магистральных интерфейсов должно быть настроено статически.

По умолчанию VSTP использует протокол RSTP в качестве основного протокола связующего дерева, но использование STP может быть принудительно, если в сети есть старые мосты. Более подробная информация о настройке VSTP на коммутаторах Juniper Networks опубликована в официальной документации.

Cisco также опубликовала собственную версию протокола Rapid Spanning Tree. Он создает связующее дерево для каждой VLAN, как и PVST. Cisco называет это Rapid Per-VLAN Spanning Tree ( RPVST ).

Множественный протокол связующего дерева

Основная статья: Протокол множественного связующего дерева

Протокол множественного связующего дерева (MSTP), первоначально определенный в IEEE 802.1s -2002, а затем объединенный в IEEE 802.1Q -2005, определяет расширение RSTP для дальнейшего развития возможностей VLAN.

В стандарте связующее дерево, которое отображает одну или несколько VLAN, называется множественным связующим деревом (MST). В MSTP связующее дерево может быть определено для отдельных VLAN или для групп VLAN. Более того, администратор может определить альтернативные пути внутри связующего дерева. Коммутаторы сначала назначаются региону MST, затем VLAN сопоставляются с этим MST или назначаются ему. Общее связующее дерево (CST) — это MST, которому сопоставлены несколько VLAN. Эта группа VLAN называется экземпляром MST (MSTI). CST обратно совместимы со стандартами STP и RSTP. MST, которому назначена только одна VLAN, является внутренним связующим деревом (IST).

В отличие от некоторых проприетарных реализаций связующего дерева для каждой VLAN, MSTP включает всю информацию связующего дерева в один формат BPDU. Это не только уменьшает количество BPDU, необходимых для передачи информации связующего дерева для каждой VLAN, но также обеспечивает обратную совместимость с RSTP и, по сути, с классическим STP. MSTP делает это путем кодирования дополнительной области информации после стандартного RSTP BPDU, а также ряда сообщений MSTI (от 0 до 64 экземпляров, хотя на практике многие мосты поддерживают меньшее количество). Каждое из этих сообщений конфигурации MSTI передает информацию связующего дерева для каждого экземпляра. Каждому экземпляру может быть назначено несколько настроенных VLAN, и кадры, назначенные этим VLAN, работают в этом экземпляре связующего дерева всякий раз, когда они находятся внутри региона MST. Чтобы избежать передачи всей своей VLAN для сопоставления связующего дерева в каждом BPDU, мосты кодируют дайджест MD5 своей VLAN в таблицу экземпляров в MSTP BPDU. Этот дайджест затем используется другими мостами MSTP вместе с другими административно настроенными значениями, чтобы определить, находится ли соседний мост в том же регионе MST, что и он сам.

MSTP полностью совместим с мостами RSTP, поскольку MSTP BPDU может интерпретироваться мостом RSTP как RSTP BPDU. Это не только обеспечивает совместимость с мостами RSTP без изменений конфигурации, но также приводит к тому, что любые мосты RSTP за пределами региона MSTP видят регион как один мост RSTP независимо от количества мостов MSTP внутри самого региона. Чтобы еще больше упростить представление о регионе MSTP как о единственном мосте RSTP, протокол MSTP использует переменную, известную как оставшиеся переходы, в качестве счетчика времени жизни вместо таймера возраста сообщения, используемого RSTP. Время возраста сообщения увеличивается только один раз, когда информация связующего дерева поступает в регион MST, и поэтому мосты RSTP будут рассматривать регион как только один переход в связующем дереве. Порты на границе региона MSTP, подключенные к мосту RSTP или STP или к конечной точке, называются граничными портами. Как и в RSTP, эти порты можно настроить как пограничные порты, чтобы обеспечить быстрое изменение состояния пересылки при подключении к конечным точкам.

Перекрытие кратчайшего пути

Основная статья: IEEE 802.1aq

IEEE 802.1aq, также известный как мост по кратчайшему пути (SPB), позволяет резервным каналам между коммутаторами быть активными по нескольким путям с одинаковой стоимостью, а также обеспечивает гораздо более крупные топологии уровня 2, более быструю конвергенцию и улучшает использование ячеистых топологий за счет увеличения пропускную способность между всеми устройствами, позволяя трафику распределять нагрузку по всем путям ячеистой сети. SPB объединяет несколько существующих функций, включая протокол связующего дерева (STP), протокол множественного связующего дерева (MSTP), протокол быстрого связующего дерева (RSTP), агрегацию каналов и протокол регистрации нескольких MAC-адресов (MMRP) в протокол с одним состоянием канала.

Расширение системного идентификатора

Идентификатор моста (BID) — это поле внутри пакета BPDU. Его длина составляет восемь байт. Первые два байта — это приоритет моста, целое число без знака от 0 до 65 535. Последние шесть байтов представляют собой MAC-адрес , предоставленный мостом. До появления IEEE 802.1D-2004 первые два байта давали приоритет 16-битному мосту. Начиная с IEEE 802.1D-2004, первые четыре бита представляют собой настраиваемый приоритет, а последние двенадцать битов содержат расширение идентификатора мостовой системы. В случае MST расширение идентификатора мостовой системы содержит номер экземпляра MSTP . Некоторые поставщики устанавливают расширение идентификатора системы моста для переноса идентификатора VLAN, что позволяет использовать другое связующее дерево для каждой VLAN, например PVST от Cisco .

Недостатки и текущая практика

Связующее дерево — это более старый протокол с более длительным временем сходимости. Неправильное использование или внедрение может привести к сбоям в работе сети. Блокировка каналов — это грубый подход к обеспечению высокой доступности и предотвращению петель. Современные сети могут использовать все подключенные каналы с помощью протоколов, которые запрещают, контролируют или подавляют естественное поведение логических или физических петель топологии.

Более новые, более надежные протоколы включают протокол TRILL (Прозрачное межсоединение множества ссылок), также созданный Перлманом. и мост по кратчайшему пути от IEEE.

Популярной альтернативой является настройка соединений между сетевым оборудованием как IP-каналов уровня 3 и использование IP-маршрутизации для обеспечения устойчивости и предотвращения петель.

Методы виртуализации коммутаторов, такие как система виртуальной коммутации Cisco и Virtual PortChannel , а также HP Intelligent Resilient Framework, объединяют несколько коммутаторов в один логический объект. Такая группа агрегации каналов с несколькими шасси работает как обычный транк портов , только распределяемый через несколько коммутаторов. И наоборот, технологии разделения разделяют одно физическое шасси на несколько логических объектов.

На границе сети обнаружение петель настроено для предотвращения случайных петель со стороны пользователей.

См. также

• Распределенное минимальное связующее дерево
• ЭфирКанал
• Автоматическое защитное переключение Ethernet
• Защитное переключение кольца Ethernet
• Гибкие ссылки
• Наводнение (компьютерные сети)
• Протокол резервирования среды передачи данных
• Минимальное связующее дерево
• Обнаружение однонаправленного соединения

Внешние ссылки

• Домашняя страница Cisco для семейства протоколов связующего дерева (обсуждает CST, MISTP, PVST, PVST+, RSTP, STP)
• Статья STP в вики Wireshark Включает образец PCAP-файла перехваченного STP-трафика.
• Перлман, Радия. «Алгорифма» . Калифорнийский университет в Беркли . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 г.
• Стандарты IEEE
  • Стандарт ANSI/IEEE 802.1D-2004 , раздел 17 обсуждает RSTP (Обычный STP больше не является частью этого стандарта. Это указано в разделе 8.)
  • Стандарт ANSI/IEEE 802.1Q-2005 , в разделе 13 обсуждается MSTP.
• RFC
  • RFC 4363 –2006, предлагаемый стандарт, Определения управляемых объектов для мостов с классами трафика, многоадресной фильтрацией и расширениями виртуальных локальных сетей.
  • RFC 4188 –2005, предлагаемый стандарт, Определения управляемых объектов для мостов.
  • RFC 2674 –1999, предлагаемый стандарт, Определения управляемых объектов для мостов с классами трафика, многоадресной фильтрации и расширений виртуальных локальных сетей.
  • RFC 1525 –1993, - SBRIDGEMIB, предлагаемый стандарт, Определения управляемых объектов для мостов маршрутизации источника.
  • RFC 1493 –1993 - BRIDGEMIB, проект стандарта, Определения управляемых объектов для мостов.
• Связующее дерево: прямые и косвенные сбои каналов – исследование CCIE
• Обзор протокола связующего дерева