Grundlagen des Spanning Tree Protocol

Netzwerke benötigen redundante Verbindungen für mehr Zuverlässigkeit, können die dadurch entstehenden Schleifen jedoch nicht tolerieren. Das Spanning Tree Protocol (STP) löst dieses Problem. STP erkennt automatisch redundante Pfade zwischen Switches und blockiert gerade so viele davon, dass ein einziger schleifenfreier Pfad übrig bleibt. Die blockierten Verbindungen bleiben dabei als Backups verfügbar. In dieser Lektion werden die Grundlagen erläutert, wie STP Schleifen verhindert, ohne auf Redundanz zu verzichten.

STP erstellt einen logischen Baum ohne Schleifen über einem physischen Netzwerk, das Schleifen enthalten kann. Dazu wählt es zwischen beliebigen zwei Punkten einen Pfad aus und deaktiviert die übrigen. Wenn der aktive Pfad später ausfällt, aktiviert STP eine blockierte Verbindung wieder, um die Konnektivität herzustellen. So erhalten Sie gleichzeitig Redundanz für Ausfallsicherheit und eine sichere, schleifenfreie Struktur.

STP wählt zunächst eine Root Bridge, also den Referenz-Switch an der Spitze des Baums. Die Switches vergleichen einen Wert namens Bridge ID, der sich aus einer konfigurierbaren Priorität und der MAC-Adresse des Switches zusammensetzt. Der Switch mit der niedrigsten Bridge ID gewinnt und wird zur Root Bridge. Alle Pfadberechnungen beziehen sich auf diese Root Bridge, sodass ihre Platzierung den gesamten Baum prägt.

Jeder Switch, der nicht die Root Bridge ist, wählt einen Root-Port: den Port mit dem Pfad zu den niedrigsten Kosten zurück zur Root Bridge. Die Kosten basieren auf der Verbindungsgeschwindigkeit; schnellere Verbindungen haben niedrigere Kosten. Der Root-Port ist die beste Route des Switches zur Spitze des Baums. Datenverkehr zur Root Bridge oder darüber hinaus verlässt den Switch normalerweise über diesen Port.

Für jedes Netzwerksegment wählt STP außerdem einen Designated-Port, der für die Weiterleitung in dieses Segment zuständig ist. Ports, die weder Root-Ports noch Designated-Ports sind, werden in den Zustand blocking versetzt. Ein blockierter Port leitet keine Daten weiter und unterbricht dadurch die Schleife. Er hört jedoch weiterhin auf STP-Nachrichten, damit er bei einem Ausfall des aktiven Pfads übernehmen kann.

Switches koordinieren sich mithilfe von BPDUs (Bridge Protocol Data Units), also kleinen Nachrichten, die zwischen Switches ausgetauscht werden. BPDUs enthalten Bridge IDs und Pfadkosten. Dadurch können Switches die Root Bridge wählen, Pfade berechnen und Änderungen der Topologie erkennen. Wenn auf einem blockierten Port keine BPDUs mehr eintreffen, nimmt STP an, dass eine Verbindung ausgefallen ist, und kann den Port wieder in Betrieb nehmen, um den Pfad wiederherzustellen.

Das klassische STP führt Ports durch die Zustände blocking, listening, learning und forwarding. Dieser Übergang verhindert, dass ein Port zu früh weiterleitet und versehentlich eine vorübergehende Schleife erzeugt. Der Nachteil ist die Verzögerung: Es dauert etwa 30 bis 50 Sekunden, bis ein Port vollständig geöffnet ist. Diese langsame Konvergenz führte zur Entwicklung schnellerer Protokollversionen.

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol, 802.1w) ist die moderne Weiterentwicklung. Es konvergiert innerhalb weniger Sekunden statt innerhalb von mehreren zehn Sekunden, indem es die Port-Zustände vereinfacht und Änderungen direkt zwischen Switches aushandelt. RSTP ist abwärtskompatibel mit älterem STP und auf den meisten aktuellen Switches die Standardeinstellung. Dadurch wird eine ausgefallene Verbindung deutlich schneller wiederhergestellt.

Zwei hilfreiche Funktionen kommen häufig zum Einsatz. PortFast ermöglicht es einem Access-Port, der ein Endgerät verbindet, die Wartezustände zu überspringen und sofort weiterzuleiten, da ein einzelner PC keine Schleife erzeugen kann. BPDU Guard schützt solche Ports, indem es sie deaktiviert, wenn sie unerwartet eine BPDU empfangen. Das würde bedeuten, dass jemand einen Switch an einen Port angeschlossen hat, der für einen PC vorgesehen war.

Konvergenz bezeichnet die Zeit, die STP benötigt, um sich nach einer Änderung in einem stabilen, schleifenfreien Zustand einzupendeln. Wenn eine aktive Verbindung ausfällt, treffen an den erwarteten Stellen keine BPDUs mehr ein. STP berechnet die Topologie neu, und ein zuvor blockierter Port wechselt in den Zustand forwarding, um den Pfad wiederherzustellen. Das klassische STP benötigt für die Konvergenz mehrere zehn Sekunden; RSTP schafft dies in wenigen Sekunden. Eine schnellere Konvergenz bedeutet kürzere Ausfälle. Deshalb hat RSTP das klassische STP auf modernen Switches ersetzt.

STP und sein schnellerer Verwandter RSTP laufen praktisch auf jedem verwalteten Switch unauffällig im Hintergrund. Sie verhindern stillschweigend die Broadcast-Stürme, die Schleifen verursachen würden, und erhalten gleichzeitig Backup-Verbindungen. Das Verständnis der Wahl der Root Bridge, der Port-Rollen und der BPDUs gehört zum grundlegenden Network+-Wissen. Wenn eine Backup-Verbindung übernehmen muss, entscheidet STP – bei RSTP innerhalb weniger Sekunden –, wie das Netzwerk schleifenfrei bleibt.

Testen Sie Ihre STP-Grundlagen.

Das Spanning Tree Protocol (STP) verhindert Schleifen und hält redundante Verbindungen als Backups bereit. Es wählt eine Root Bridge (niedrigste Bridge ID), bestimmt auf jedem Switch einen Root-Port in Richtung Root Bridge sowie pro Segment einen Designated-Port und versetzt überzählige Ports in den Zustand blocking. Die Switches koordinieren sich mit BPDUs. Das klassische STP ist langsam; RSTP konvergiert innerhalb weniger Sekunden. PortFast beschleunigt die Aktivierung von Ports für Endgeräte, und BPDU Guard schützt diese Ports.