Протокол покрывающего дерева, STP (802.1.D)

Как известно, коммутаторы Ethernet работают в режиме самообучения. Коммутатор строит свою адресную таблицу автоматически на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключённых к его портам сегментах. При этом коммутатор учитывает адрес источника кадров данных, поступающих на порты коммутатора. По адресу источника коммутатор делает вывод о принадлежности узла источника тому или иному порту. Когда коммутатор получает кадр с адресом назначения, который отсутствует в его таблице, он просто копирует этот кадр на все свои порты, кроме того, на который он получил данный кадр. Такой режим называется затоплением сети.

Для создания отказоустойчивой сети желательно применение кольцевой топологии. Однако, коммутируемые сети Ethernet эффективно работают только при древовидной топологии, когда в сети нет петель. В случае наличия петель кадры начинают «зацикливаться» и размножаться. Причиной этого явления может быть появление в сети широковещательных кадров или кадров с неизвестными ранее МАС-адресами. Согласно логике работы коммутатора, он копирует такие кадры на все свои порты, то же делают другие коммутаторы в петле. Эти кадры затопляют сеть своими копиями, такое явление называется широковещательным штормом. Для решения этой проблемы в сетях Ethernet был создан протокол покрывающего дерева, позволяющий локальной сети иметь произвольную топологию.

Протокол покрывающего дерева (Spanning Tree Protocol, STP ) предназначен для повышения надёжности локальной сети на коммутаторах за счёт использования произвольной топологии, обеспечивающей альтернативные пути между узлами сети. Пример такой топологии приведён на рисунке 6.1

Рисунок 6.1 – Локальная сеть с альтернативными путями и покрывающее дерево

В этой сети существуют альтернативные маршруты. Например, между коммутаторами S1 и S3 есть 3 пути:

1) Непосредственная связь между портами 2 каждого из этих коммутаторов;

2) Путь «S1 порт 4» – «S4 порт 3» – «S4 порт 1» – «S3 порт 6»;

3) Путь «S1 порт 4» – «S4 порт 3» – «S4 порт 4» – «S5 порт 5» – «S5 порт 2» – «S3 порт 3».

Альтернативные пути можно использовать в разных целях, например, для повышения производительности сети, когда трафик к определённому узлу распараллеливается между такими путями, а также для повышения надёжности сети. В последнем случае некоторые линии связи между коммутаторами переводятся в резервное состояние, то есть такое, в котором они не применяются для передачи трафика, но могут быть оперативно переведены в рабочее состояние при выходе из строя какого-либо элемента сети – коммутатора, одного из портов или линии связи между портами. Резервные линии связи называют также избыточными.

Протокол STP позволяет автоматически определить, какие линии связи нужно перевести в резервное состояние, чтобы оставшаяся топология была древовидной и, следовательно, пригодной для работы коммутаторов. Одна из возможных древовидных топологий выделена на рисунке 6.1 жирными линиями. При отказах элементов сети протокол STP заново находит топологию покрывающего дерева, если это возможно.

Например, если в нашем примере произойдёт отказ коммутатора S3, то связь «S1 порт 4» – «S4 порт 3» будет автоматически переведена в рабочее состояние и работоспособность сети восстановится.

Работа протокола STP строится на периодическом обмене коммутаторами сети специальными служебными сообщениями, называемыми протокольными блоками данных моста (B ridge P rotocol D ata U nit, BPDU).

Первым этапом построения дерева является выбор корневого коммутатора. Корневым выбирается коммутатор с меньшим идентификатором, в качестве которого выступает число, полученное конкатенацией приоритета и МАС-адреса коммутатора. Администратор сети может влиять на выбор корневого коммутатора, изменяя приоритеты коммутаторов сети (по умолчанию используется приоритет, равный 32768).

После выбора корневого коммутатора у каждого коммутатора (кроме корневого) выбирается корневой порт – тот порт, расстояние от которого до корневого коммутатора меньше, чем у других портов коммутатора. Расстояние (также называемое метрикой) в протоколе STP связано со скоростью линии связи. Для того, чтобы найти расстояние от порта одного коммутатора до порта другого коммутатора, нужно просуммировать метрики линий связи, через которые проходит путь от порта до порта. В таблице 6.1 приведены цифры стоимости, которые используются при расчёте метрики пути.

Таблица 6.1

На рисунке 6.1 корневым выбран коммутатор S5, а корневыми портами – порт 3 коммутатора S3, порт 4 коммутатора S4, порт 2 коммутатора S1 и порт 5 коммутатора S2. Будем считать, что все линии связи в нашем примере имеют одну и туже скорость 100 Мбит/с, которой соответствует метрика 19. Из нашего примера видно, что в некоторых случаях выбор корневого порта нельзя выполнить, используя в качестве критерия только расстояние до корневого коммутатора, например, у коммутатора S1 порты 2 и 4 имеют одинаковое расстояние в 38 единиц до корневого коммутатора S5. В таких случаях для устранения неопределённости задействуют приоритеты портов, которые назначаются администратором сети.

Последним этапом работы протокола STP является выбор назначенных портов линий связи. В коммутируемой сети каждая линия связи соединяет два порта, и тот порт, расстояние от которого до корневого коммутатора ближе, становится назначенным портом линии, назначенный порт это тот порт, который смотрит на корневой порт. Остальные порты блокируются. В нашем примере назначенными портами будут являться: порт 2 коммутатора S3, порты 2 и 5 коммутатора S5 и порт 5 коммутатора S4.

Связи, оставшиеся незаблокированными в результате работы данного алгоритма, образуют граф покрывающего дерева.

После построения покрывающего дерева коммутаторы начинают передавать через незаблокированные порты кадры данных. В нормальном режиме корневой коммутатор продолжает генерировать кадрыBPDU, а остальные коммутаторы получают их через свои корневые порты, и ретранслируют через назначенные порты. Если по истечении некоторого тайм-аута корневой порт любого коммутатора сети не получит служебный пакет BPDU, то он инициализирует новую процедуру покрывающего дерева.

Основным недостатком протокола STP является его инерционность – выявление отказа элемента сети может занимать 20 секунд, а построение новой конфигурации ещё 30 секунд.

В 1998 году была стандартизирована более быстрая версия протокола под название Rapid STP, RSTP (802.1W). В этой версии обнаружение неисправности и построение нового дерева занимает всего несколько секунд. Основные изменения по сравнению с STP коснулись снижения тайм-аутов и одновременного с выбором корневого и назначенных портов выбора их альтернативных вариантов, поэтому при отказе порта или линии связи переход на альтернативный порт происходит очень быстро, так как он не связан с построением нового дерева. После принятия стандарта RSTP старая версия, то есть STP, больше не рекомендована для реализации.