أساسيات بروتوكول الشجرة الممتدة

تحتاج الشبكات إلى وصلات زائدة من أجل الموثوقية، لكنها لا تستطيع تحمل الحلقات التي تسببها. يحل Spanning Tree Protocol ‏(STP) هذه المشكلة. إذ يكتشف STP تلقائيًا المسارات الزائدة بين المحوّلات ويحظر ما يكفي منها للإبقاء على مسار واحد خالٍ من الحلقات، مع إبقاء الوصلات المحظورة جاهزة كنسخ احتياطية. يغطي هذا الدرس أساسيات كيفية منع STP للحلقات من دون التضحية بالتكرار.

ينشئ STP شجرة منطقية بلا حلقات فوق شبكة فعلية قد تحتوي على حلقات. ويفعل ذلك باختيار مسار واحد بين أي نقطتين وتعطيل بقية المسارات. وإذا فشل المسار النشط لاحقًا، يعيد STP تنشيط وصلة محظورة لاستعادة الاتصال. وهكذا تحصلون في الوقت نفسه على التكرار للمرونة وبنية خالية من الحلقات للسلامة.

ينتخب STP أولًا الجسر الجذر، وهو المحوّل المرجعي في قمة الشجرة. وتقارن المحوّلات قيمة تُسمى معرّف الجسر، وتتكون من أولوية قابلة للضبط بالإضافة إلى عنوان MAC للمحوّل. ويفوز المحوّل صاحب أقل معرّف جسر ويصبح الجذر. وتُقاس جميع حسابات المسارات بالنسبة إلى هذا الجذر، لذا يؤثر موضعه في شكل الشجرة بأكملها.

يختار كل محوّل ليس جذرًا منفذ جذر واحدًا: وهو المنفذ ذو أقل تكلفة للمسار المتجه عائدًا نحو الجسر الجذر. وتستند التكلفة إلى سرعة الوصلة؛ فالوصلات الأسرع تكون تكلفتها أقل. ويُعد منفذ الجذر أفضل مسار للمحوّل إلى قمة الشجرة. وتخرج حركة المرور المتجهة إلى الجذر أو إلى ما بعده عمومًا عبر هذا المنفذ.

يختار STP أيضًا لكل مقطع من الشبكة منفذًا معيّنًا، وهو المنفذ المسؤول عن التمرير إلى ذلك المقطع. وتوضع المنافذ التي ليست منافذ جذر ولا منافذ معيّنة في حالة حظر. ولا يمرر المنفذ المحظور البيانات، مما يكسر الحلقة، لكنه يستمر في الاستماع إلى رسائل STP حتى يتمكن من تولي المهمة إذا فشل المسار النشط.

تنسّق المحوّلات عملها باستخدام BPDUs ‏(وحدات بيانات بروتوكول الجسر)، وهي رسائل صغيرة تتبادلها المحوّلات. وتحمل BPDUs معرّفات الجسور وتكاليف المسارات، مما يتيح للمحوّلات انتخاب الجذر وحساب المسارات واكتشاف تغييرات البنية. وإذا توقفت BPDUs عن الوصول إلى منفذ محظور، يفترض STP أن وصلة قد فشلت، وقد يعيد ذلك المنفذ إلى الخدمة لاستعادة المسار.

ينقل STP التقليدي المنافذ عبر الحالات التالية: الحظر والاستماع والتعلّم والتمرير. ويمنع هذا الانتقال المنفذ من بدء التمرير مبكرًا والتسبب بالخطأ في حلقة مؤقتة. أما الجانب السلبي فهو التأخير؛ إذ يستغرق فتح المنفذ بالكامل نحو 30 إلى 50 ثانية. وقد حفّز هذا التقارب البطيء تطوير إصدارات أسرع من البروتوكول.

يُعد RSTP ‏(Rapid Spanning Tree Protocol، ‏802.1w) التحسين الحديث. فهو يتقارب خلال بضع ثوانٍ فقط بدلًا من عشرات الثواني، من خلال تبسيط حالات المنافذ والتفاوض مباشرةً بين المحوّلات بشأن التغييرات. ويتوافق RSTP مع الإصدارات الأقدم من STP، وهو الإعداد الافتراضي في معظم المحوّلات الحالية، لذلك تُستعاد الوصلة الفاشلة بسرعة أكبر بكثير.

تظهر ميزتان مفيدتان كثيرًا. يتيح PortFast لمنفذ وصول متصل بجهاز طرفي تجاوز حالات الانتظار والبدء بالتمرير فورًا، إذ لا يمكن لحاسوب واحد إنشاء حلقة. ويحمي BPDU Guard تلك المنافذ بإيقافها إذا استقبلت BPDU بصورة غير متوقعة، ما يعني أن شخصًا ما وصل محوّلًا بمنفذ مخصص لحاسوب.

يشير التقارب إلى الوقت الذي يستغرقه STP للاستقرار في حالة مستقرة خالية من الحلقات بعد حدوث تغيير. وعندما تفشل وصلة نشطة، تتوقف BPDUs عن الوصول في الموضع المتوقع، فيعيد STP الحسابات، وينتقل منفذ كان محظورًا إلى حالة التمرير لاستعادة المسار. يستغرق STP التقليدي عشرات الثواني للتقارب، بينما ينجز RSTP ذلك خلال بضع ثوانٍ. ويعني التقارب الأسرع انقطاعات أقصر، ولهذا حل RSTP محل STP التقليدي في المحوّلات الحديثة.

يعمل STP وقريبه الأسرع RSTP بهدوء على كل محوّل مُدار تقريبًا، فيمنعان بصمت عواصف البث التي قد تسببها الحلقات، مع الحفاظ على الوصلات الاحتياطية. ويُعد فهم انتخاب الجسر الجذر وأدوار المنافذ وBPDUs من أساسيات معرفة Network+. وعندما يتعين على وصلة احتياطية تولي المهمة، يكون STP هو الذي يقرر، خلال ثوانٍ باستخدام RSTP، كيفية إبقاء الشبكة خالية من الحلقات.

اختبروا أساسيات STP لديكم.

يمنع Spanning Tree Protocol ‏(STP) الحلقات مع إبقاء الوصلات الزائدة كنسخ احتياطية. وينتخب جسرًا جذريًا (أقل معرّف جسر)، ويختار منفذ جذر في كل محوّل باتجاه الجذر، ومنفذًا معيّنًا لكل مقطع، ويضع المنافذ الزائدة في حالة الحظر. وتتنسق المحوّلات باستخدام BPDUs. ويتميز STP التقليدي بالبطء، بينما يتقارب RSTP خلال ثوانٍ. ويسرّع PortFast منافذ الأجهزة الطرفية، ويحميها BPDU Guard.