Протокол связующего дерева (Spanning Tree Protocol)

Для активизации протокола STP администратор должен активировать протокол, а затем задать следующие обязательные настройки на каждом коммутаторе в сети:

1. Уникальный идентификатор коммутатора, на основе которого будет получен приоритет коммутатора. Чем меньше значение идентификатора, тем выше будет приоритет коммутатора.

2. Уникальный идентификатор для каждого порта коммутатора. Чем меньше значение идентификатора, тем выше будет приоритет порта.

3. Стоимость отправки кадров через каждый порт коммутатора. Обычно коммутатор автоматически вычисляет стоимость для каждого собственного порта на основе пропускной способности подключенной к порту линии связи.

Также в зависимости от модели коммутатора администратор может дополнительно вручную задать значение следующих переменных:

1. Интервал приветствия Bridge Hello Time – это интервал между двумя посылками специального пакета BPDU (см. ниже), рассылаемого корневым коммутатором для оповещения остальных коммутаторов о том, что корневой коммутатор функционирует.

2. Максимальный возраст коммутатора Bridge Max. Age. Если пакет BPDU не будет получен от корневого коммутатора по истечении максимального времени жизни, то ваш коммутатор будет считать, что корневой коммутатор перестал функционировать, то есть произошли изменения в конфигурации сети, а затем начнет посылать собственный BPDU всем другим коммутаторам для разрешения стать корневым мостом.

Замечание: необходимо на всех коммутаторах сети значение параметра Bridge Max. Age выставлять большим значения параметра Bridge Hello Time (см. формулы ниже), иначе постоянно будут происходить ошибки конфигурации.

3. Задержка смены состояния коммутатора Bridge Forward Delay – это время, которое затрачивается не перевод любого порта из режима блокировки (blocking state) в режим функционирования (forwarding state).

Для нормального функционирования протокола STP приведенные параметры должны удовлетворять следующему условию:

После активации и осуществления необходимых настроек администратором протокол STP начинает функционировать. Чтобы выполнить все шаги, заложенные в алгоритме STA, коммутаторы, работающие по протоколу STP, обмениваются между собой сообщениями в формате, определенном стандартом IEEE 802.1d. Эти сообщения называются блоками данных протокола мостов (BPDU, Bridge Protocol Data Unit) и содержат следующие поля:

Идентификатор версии протокола (2 байта).

Коммутаторы должны поддерживать одну и ту же версию протокола STP, иначе может установиться активная конфигурация с петлями.

Тип сообщения (1 байт). Существует два типа сообщений BPDU – конфигурацион-ный BPDU, то есть заявка на возможность стать корневым коммутатором, на основании которой происходит определение активной конфигурации, и BPDU уведомления о реконфигурации, которое посылается коммутатором, обнаружившим событие, требующее проведения реконфигурации - отказ линии связи, отказ порта, изменение приоритетов коммутатора или портов.

Флаги (1 байт). Содержит два 1-битных флага: - Бит 0. Topology Change (Изменение топологии) – указывает на то, что сообщение было послано для того, чтобы сигнализировать об изменении в составе сети (сообщение реконфигурации);

- Бит 7. Topology Change Acknowledgment (Подтверждение изменения топологии) – используется для подтверждения получения сообщения реконфигурации с установленным битом 0.

Приоритет корневого коммутатора (8 байт) содержит в качестве 6 младших байт МАС-адрес корневого коммутатора и в качестве старших 2 байт идентификатор корневого коммутатора, назначенный администратором.

Стоимость корневого пути (2 байта).

Приоритет коммутатора (8 байт) содержит 6-байтовый аппаратный адрес моста, пославшего сообщение, и 2-байтовое значение заданного этому мосту идентификатора.

Идентификатор порта (2 байта). Определяет порт, через который было послано сообщение.

Возраст сообщения (2 байта). Указывает на время, прошедшее с момента отправки сообщения. Измеряется в единицах времени, кратных 0, 5 секунды. Каждый коммутатор добавляет ко времени жизни пакета свое время задержки.

Максимальный возраст сообщения (2 байта). Задает ограничение возраста, по достижении которого сообщение должно быть удалено.

Интервал приветствия Bridge Hello Time (2 байта). Фиксирует временной интервал между конфигурационными сообщениями корневого моста.

Задержка смены состояний Bridge Forward Delay (2 байта). Специфицирует промежуток времени, в течение которого коммутаторы должны ожидать завершения работы алгоритма STA после изменения топологии сети. Если еще не все коммутаторы закончили работу алгоритма, то преждевременные передачи данных могут вызвать появление циклов.

Сообщения BPDU инкапсулируются стандартными кадрами протокола Канального уровня. Желательно, чтобы все коммутаторы поддерживали общий групповой адрес, с помощью которого кадры, содержащие пакеты BPDU, могли одновременно передаваться всем коммутаторам сети. В противном случае пакеты BPDU рассылаются широковещательно.

Пакеты BPDU не перенаправляются в другие сети.

Жизненный цикл протокола STP включает: процесс конфигурации, функционарование, событие требующее проведения реконфигурации, рассылка сообщения о реконфигурации.

Процесс конфигурации

Выбор корневого моста. После инициализации каждый коммутатор сначала считает себя корневым. Поэтому он начинает через интервал приветствия Bridge Hello Time генерировать через все свои порты сообщения BPDU конфигурационного типа. В них он указывает свой приоритет в качестве приоритета корневого коммутатора, расстояние до корня устанавливается в 0, а в качестве идентификатора порта указывается приоритет того порта, через который передается BPDU. Как только коммутатор получает BPDU, в котором имеется приоритет корневого коммутатора, больше его собственного, он перестает генерировать свои собственные кадры BPDU, а начинает ретранслировать только кадры нового претендента на звание корневого коммутатора. При ретрансляции кадров он наращивает расстояние до корня, указанное в пришедшем BPDU, на условное время сегмента, по которому принят данный кадр.

Выбор корневого порта. При ретрансляции кадров каждый коммутатор для каждого своего порта запоминает минимальное расстояние до корня. При завершении процедуры утановления конфигурации покрывающего дерева, каждый коммутатор находит свой корневой порт – это порт, который ближе других портов находится к корню дерева.

Выбор назначенных мостов и портов. Кроме этого, коммутаторы выбирают для каждого сегмента сети назначенный порт. Для этого они исключают из рассмотрения свой корневой порт. Далее для всех своих оставшихся портов сравнивают принятые по ним минимальные расстояния до корня. Порт с минимальным расстоянием является назначенным портом. Когда имеется несколько портов с одинаковым кратчайшим расстоянием до корневого коммутатора, выбирается порт с наименьшим идентификатором (следовательно, с наибольшим приоритетом). Все порты, кроме назначенных и корневого, переводятся в заблокированное состояние и на этом построение покрывающего дерева заканчивается.

Функционирование сети

В процессе нормальной работы корневой коммутатор продолжает генерировать служебные пакеты BPDU через интервал Bridge Hello Time, а остальные коммутаторы продолжают их принимать своими корневыми портами и ретранслировать назначенными.

Возникновение события, требующего проведение реконфигурации В процессе функционирования сети с установившейся древовидной топологией следующие события приводят к инициализации новой процедуры построения покрывающего дерева:

- если по истечении максимального времени жизни корневой порт любого коммутатора сети не получит пакет BPDU от корневого коммутатора.

- если пакет BPDU, генерируемый корневым коммутатором, будет получен любым не корневым портом любого назначенного коммутатора.

Рассылка сообщений о реконфигурации

Коммутатор, обнаруживший одно из вышеперечисленных событий, в первую очередь оповещает об этом корневой коммутатор (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема оповещения корневого коммутатора

Как только корень узнает о происшедшем изменении, он выставляет флаг TC в сообщениях BPDU, которые он рассылает. Затем данные сообщения распространяются по всей сети. В этом случае граф сети выстраивается заново в соответствии с вышеописанным алгоритмом.

У пакета BPDU с уведомлением о реконфигурации отсутствуют все поля, кроме первых двух.

Состояния портов коммутатора

Таким образом, в процессе построения топологии сети каждый порт коммутатора проходит несколько стадий:

- Blocking (Заблокирован).

При инициализации коммутатора все порты (за исключением отключенных) автоматически переводятся в состояние " Заблокирован". В этом случае порт генерирует, принимает, обрабатывает и ретранслирует только пакеты BPDU. Все остальные пакеты не передаются.

- Listening (Прослушивание). В начальный момент работы алгоритма STA порты коммутатора переходят в состояние " Прослушивание". В этот момент пакеты BPDU от других коммутаторов еще не получены и коммутатор считает себя корневым, а все свои порты – назначенными. В этом режиме порт может находиться до истечения таймера смены состояний (Forwarding Timer). Значение таймера берется из значения переменной Bridge Forward Delay и может устанавливаться администратором (см. выше). В этом режиме порт продолжает генерировать, принимать, обрабатывать и ретранслировать только пакеты BPDU. Если в течение этого времени порт получит BPDU с лучшими параметрами, чем собственные (расстояние, идентификатор коммутатора или порта), то он перейдет в состояние " Заблокирован". В противном случае порт переводится в состояние " Обучение".

- Learning (Обучение). Порт начинает принимать пакеты и на основе адресов источника строить таблицу коммутации. Порт в этом состоянии все еще не продвигает пакеты. Порт продолжает участвовать в работе алгоритма STA, и при поступлении BPDU с лучшими параметрами переходит в состояние Blocking " Заблокирован".

- Forwarding (Продвижение). Только после двукратной выдержки по таймеру порт переходит в состояние ― Продвижение‖ и обрабатывает пакеты данных в соответствии с построенной таблицей

- Disable (Отключен). В это состояние порт переводит администратор. Отключенный порт не участвует ни в работе протокола STP, ни в продвижении пакетов данных. Порт можно также вручную включить и он сначала перейдет в состояние Blocking.

Временная диаграмма состояния портов приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Временная диаграмма состояния портов

Недостатки протокола STP

Можно выделить следующие основные недостатки протокола STP:

1. Медленное время восстановления (сходимости) сети после аварии. При использовании настроек по умолчанию, это время может достигать нескольких минут в небольшой сети для восстановления после простого обрыва соединения. Пока идет процесс восстановления, пользователи оторваны от сети, и большинство приложений закрывают свои сессии по тайм-ауту до того, как работа сети восстановится. С точки зрения пользователей это большое неудобство, так как они будут вынуждены переустанавливать все сессии, открытые приложениями.

2. Большое количество соединений в сети, использующей STP, находится в заблокированном состоянии и не передает данные. Таким образом, значительная часть пропускной способности сети не используется. Данные недостатки призваны устранить следующие поколения протокола STP – Rapid STP и Multiple STP, которые рассмотрены ниже.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: