Dlaczego pętle przełączania są niebezpieczne

Łącza redundantne zwiększają niezawodność sieci, ale w sieci przełączanej mogą powodować poważny problem: pętlę przełączania. Pętla powstaje, gdy między przełącznikami istnieją co najmniej dwie ścieżki, a ramki krążą bez końca. W przeciwieństwie do wolnego połączenia pętla może w ciągu kilku sekund unieruchomić całą sieć. W tej lekcji wyjaśniono, jak powstają pętle i dlaczego powodują tak duże szkody.

Aby zrozumieć pętle, należy przypomnieć sobie, jak przełączniki obsługują nieznany ruch oraz ruch rozgłoszeniowy. Gdy przełącznik otrzyma ramkę rozgłoszeniową albo ramkę przeznaczoną dla adresata, którego jeszcze nie nauczył się rozpoznawać, wykonuje flooding ramki przez każdy port z wyjątkiem tego, przez który ramka weszła. Takie rozsyłanie jest normalne i użyteczne. Jednak gdy w topologii występuje pętla, flooding przeradza się w niekontrolowaną katastrofę.

Załóżmy, że dwa przełączniki są połączone dwoma kablami, które tworzą pętlę. Ramka rozgłoszeniowa trafia do przełącznika A, który przesyła ją przez oba łącza do przełącznika B. Przełącznik B przesyła ją z powrotem do przełącznika A przez oba łącza. Przełącznik A ponownie ją rozsyła, a ramka powiela się i krąży bez żadnego mechanizmu, który mógłby ją zatrzymać. Ramka warstwy 2 nie ma wbudowanego mechanizmu wygaśnięcia, który zakończyłby ten cykl.

Rezultatem jest burza rozgłoszeniowa: kopie ramek rozmnażają się w gwałtownym tempie, nasycając każde łącze. Ruch krążący w pętli zajmuje całą przepustowość, procesory przełączników są intensywnie obciążone przetwarzaniem zalewu ramek, a prawidłowy ruch nie może się przedostać. Sieć przestaje działać. Pojedyncza pętla może w ciągu kilku sekund sparaliżować cały obiekt, dlatego pętle traktuje się jako sytuacje awaryjne.

Pętle powodują drugi problem: niestabilność tablicy adresów MAC. Przełącznik rozpoznaje port, do którego podłączone jest urządzenie, na podstawie adresu źródłowego przychodzących ramek. Gdy ramki krążące w pętli docierają przez wiele portów, przełącznik nieustannie zmienia zdanie co do lokalizacji urządzenia, przełączając wpis między portami. To zamieszanie prowadzi do błędnych decyzji dotyczących przekazywania ramek i pogłębia chaos.

Routery zapobiegają nieskończonym pętlom, ponieważ pakiety IP zawierają licznik TTL (Time To Live), który zmniejsza się do zera, po czym pakiet jest odrzucany. Jednak ramki Ethernet warstwy 2 nie mają pola TTL. W samej ramce nie ma niczego, co odliczałoby czas ani powodowało jej wygaśnięcie. Dlatego ramka krążąca w pętli warstwy 2 może krążyć bez końca, dopóki człowiek nie przerwie pętli albo protokół jej nie zablokuje.

Pętle rzadko powstają celowo. Często są skutkiem pomyłki: ktoś podłącza oba końce kabla krosowego do tego samego przełącznika, łączy ze sobą dwa gniazda ścienne albo nieprawidłowo łączy kaskadowo niezarządzany przełącznik. Ponieważ objawy pojawiają się nagle i dotyczą wszystkich użytkowników, przypadkowe pętle są częstą przyczyną jednoczesnej utraty łączności w całym biurze.

Oznakami pętli są między innymi skrajne spowolnienie lub awaria całej sieci, bardzo szybkie i zsynchronizowane miganie kontrolek stanu przełączników oraz bardzo wysokie użycie procesora przełączników. Polecenia ping przekraczają limit czasu w całej sieci. Jeśli łączność załamie się zaraz po przeniesieniu kabla lub dodaniu urządzenia, należy podejrzewać pętlę i poszukać nowo utworzonej redundantnej ścieżki.

Natychmiastowym rozwiązaniem jest przerwanie pętli przez odłączenie powodującego problem redundantnego kabla. Gdy druga ścieżka zniknie, flooding nie ma już drogi, którą mógłby krążyć, więc burza niemal natychmiast ustaje. Dlatego technicy, którzy mają do czynienia z nagłą całkowitą awarią, często zaczynają od odłączenia niedawno dodanych łączy, aby sprawdzić, czy sieć odzyska działanie.

Nie należy polegać na tym, że ludzie unikną każdej pętli, a nadmiarowość jest cenna dla niezawodności. Właściwym rozwiązaniem jest automatyczny protokół, który umożliwia korzystanie z redundantnych łączy, ale blokuje te, które utworzyłyby pętlę, pozostawiając je w gotowości jako kopie zapasowe. Tym protokołem jest Spanning Tree Protocol — temat następnej lekcji. To standardowy mechanizm ochrony przed pętlami przełączania.

Pętle przełączania należą do najbardziej zakłócających awarii, jakie mogą wystąpić w sieci, i pojawiają się na egzaminie Network+. Należy zrozumieć cały ciąg zdarzeń: redundantna ścieżka prowadzi do floodingu, flooding prowadzi do burzy rozgłoszeniowej i niestabilności tablicy MAC, a przy braku TTL w warstwie 2 burza nie kończy się samoistnie. Właśnie dlatego stosuje się mechanizmy zapobiegania pętlom.

Sprawdź swoją wiedzę o pętlach.

Pętla przełączania powstaje, gdy redundantne ścieżki pozwalają przełącznikom wykonywać flooding rozgłoszeń po obwodzie. Ponieważ ramki Ethernet warstwy 2 nie mają pola TTL, pętla nigdy się nie kończy i powoduje burzę rozgłoszeniową, która nasyca łącza i znacznie obciąża procesory przełączników, a także niestabilność tablicy MAC z powodu przełączania wpisów między portami. Pętle często powstają przypadkowo i w ciągu kilku sekund mogą sparaliżować cały obiekt. Trwałym rozwiązaniem jest automatyczny protokół zapobiegania pętlom: Spanning Tree.