Podstawy protokołu Spanning Tree

Sieci potrzebują redundantnych łączy ze względu na niezawodność, ale nie mogą tolerować powodowanych przez nie pętli. Rozwiązuje to Spanning Tree Protocol (STP). STP automatycznie wykrywa redundantne ścieżki między przełącznikami i blokuje tylko tyle z nich, aby pozostała pojedyncza ścieżka pozbawiona pętli, jednocześnie utrzymując zablokowane łącza w gotowości jako kopie zapasowe. W tej lekcji omówiono podstawy działania STP, które zapobiega pętlom bez rezygnacji z nadmiarowości.

STP buduje logiczne drzewo pozbawione pętli na fizycznej sieci, która może zawierać pętle. Osiąga to, wybierając jedną ścieżkę między dowolnymi dwoma punktami i wyłączając pozostałe. Jeśli aktywna ścieżka ulegnie awarii, STP ponownie aktywuje zablokowane łącze, aby przywrócić łączność. Dzięki temu jednocześnie uzyskuje się redundancję zapewniającą odporność oraz bezpieczną topologię bez pętli.

Najpierw STP wybiera most główny, czyli przełącznik referencyjny znajdujący się na szczycie drzewa. Przełączniki porównują wartość nazywaną identyfikatorem mostu, utworzoną z konfigurowalnego priorytetu oraz adresu MAC przełącznika. Wygrywa przełącznik z najniższym identyfikatorem mostu i staje się mostem głównym. Wszystkie obliczenia ścieżek są wykonywane względem tego mostu, dlatego jego umiejscowienie wpływa na całe drzewo.

Każdy przełącznik niebędący mostem głównym wybiera jeden port główny: port, przez który prowadzi ścieżka o najniższym koszcie w kierunku mostu głównego. Koszt zależy od szybkości łącza — szybsze łącza mają niższy koszt. Port główny jest najlepszą trasą przełącznika na szczyt drzewa. Ruch przeznaczony dla mostu głównego lub dalszych sieci zazwyczaj opuszcza przełącznik przez ten port.

Dla każdego segmentu sieci STP wybiera również jeden port wyznaczony, odpowiedzialny za przekazywanie ruchu do tego segmentu. Porty, które nie są ani główne, ani wyznaczone, przechodzą do stanu blokowania. Zablokowany port nie przekazuje danych, dzięki czemu przerywa pętlę, ale nadal nasłuchuje komunikatów STP, aby móc przejąć działanie w razie awarii aktywnej ścieżki.

Przełączniki koordynują działanie za pomocą komunikatów BPDUs (Bridge Protocol Data Units), czyli niewielkich komunikatów wymienianych między przełącznikami. BPDUs zawierają identyfikatory mostów i koszty ścieżek, dzięki czemu przełączniki mogą wybrać most główny, obliczyć ścieżki i wykrywać zmiany topologii. Jeśli zablokowany port przestanie otrzymywać BPDUs, STP uznaje, że łącze uległo awarii, i może ponownie włączyć ten port do pracy, aby przywrócić ścieżkę.

Klasyczny STP przeprowadza porty przez stany: blokowanie, nasłuchiwanie, uczenie się i przekazywanie. Ta zmiana stanów zapobiega zbyt wczesnemu przekazywaniu ruchu przez port i przypadkowemu utworzeniu tymczasowej pętli. Wadą jest opóźnienie — pełne otwarcie portu zajmuje około 30–50 sekund. To powolne zbieganie się działania skłoniło do opracowania szybszych wersji protokołu.

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol, 802.1w) to współczesne udoskonalenie. Zbiega się w ciągu kilku sekund, a nie kilkudziesięciu, ponieważ upraszcza stany portów i umożliwia bezpośrednie negocjowanie zmian między przełącznikami. RSTP jest wstecznie zgodny ze starszym STP i stanowi ustawienie domyślne w większości obecnych przełączników, dlatego po awarii łącze jest przywracane znacznie szybciej.

Często stosuje się dwie pomocne funkcje. PortFast pozwala portowi dostępowemu łączącemu urządzenie końcowe pominąć stany oczekiwania i natychmiast rozpocząć przekazywanie, ponieważ pojedynczy komputer nie może utworzyć pętli. BPDU Guard chroni takie porty, wyłączając je, jeśli niespodziewanie otrzymają BPDU. Oznaczałoby to, że ktoś podłączył przełącznik do portu przeznaczonego dla komputera.

Zbieganie się działania to czas, którego STP potrzebuje, aby po zmianie osiągnąć stabilny stan bez pętli. Gdy aktywne łącze ulegnie awarii, BPDUs przestają docierać w oczekiwane miejsce, STP ponownie oblicza topologię, a wcześniej zablokowany port przechodzi do stanu przekazywania, aby przywrócić ścieżkę. Klasyczny STP potrzebuje na zbieżność kilkudziesięciu sekund, natomiast RSTP robi to w ciągu kilku sekund. Szybsza zbieżność oznacza krótsze przerwy w działaniu, dlatego RSTP zastąpił klasyczny STP we współczesnych przełącznikach.

STP i jego szybszy odpowiednik RSTP działają po cichu praktycznie na każdym zarządzanym przełączniku, zapobiegając burzom rozgłoszeniowym, które powodowałyby pętle, a jednocześnie zachowując łącza zapasowe. Zrozumienie wyboru mostu głównego, ról portów i komunikatów BPDUs jest podstawową wiedzą wymaganą na egzaminie Network+. Gdy łącze zapasowe musi przejąć działanie, to STP — w przypadku RSTP w ciągu kilku sekund — decyduje, jak utrzymać sieć bez pętli.

Sprawdź podstawową wiedzę o STP.

Spanning Tree Protocol (STP) zapobiega pętlom, zachowując redundantne łącza jako kopie zapasowe. Wybiera most główny (o najniższym identyfikatorze mostu), na każdym przełączniku wybiera skierowany do niego port główny, jeden port wyznaczony dla każdego segmentu, a pozostałe porty umieszcza w stanie blokowania. Przełączniki koordynują działanie za pomocą BPDUs. Klasyczny STP działa wolno, natomiast RSTP osiąga zbieżność w ciągu kilku sekund. PortFast przyspiesza działanie portów urządzeń końcowych, a BPDU Guard je chroni.