Основы протокола связующего дерева

Сетям нужны резервные соединения для надёжности, но они не могут допустить создаваемые ими петли. Эту проблему решает протокол связующего дерева (STP). STP автоматически обнаруживает резервные пути между коммутаторами и блокирует ровно столько из них, сколько необходимо, чтобы оставить один путь без петель, сохраняя заблокированные соединения готовыми в качестве резервных. В этом уроке рассматриваются основы того, как STP предотвращает петли без отказа от резервирования.

STP строит логическое дерево без петель поверх физической сети, в которой могут быть петли. Для этого он выбирает один путь между любыми двумя точками и отключает остальные. Если активный путь впоследствии выходит из строя, STP снова активирует заблокированное соединение, чтобы восстановить связь. Таким образом, одновременно обеспечиваются резервирование для отказоустойчивости и безопасная топология без петель.

Сначала STP выбирает корневой мост — опорный коммутатор во главе дерева. Коммутаторы сравнивают значение, называемое идентификатором моста, которое состоит из настраиваемого приоритета и MAC-адреса коммутатора. Коммутатор с наименьшим идентификатором моста побеждает и становится корневым. Все расчёты путей выполняются относительно этого корня, поэтому его расположение определяет структуру всего дерева.

Каждый некорневой коммутатор выбирает один корневой порт — порт с путём наименьшей стоимости к корневому мосту. Стоимость зависит от скорости соединения: более быстрые соединения имеют меньшую стоимость. Корневой порт — лучший маршрут коммутатора к вершине дерева. Трафик, предназначенный для корня или следующих сетей, обычно выходит через этот порт.

Для каждого сетевого сегмента STP также выбирает один назначенный порт — порт, отвечающий за пересылку данных в этот сегмент. Порты, которые не являются ни корневыми, ни назначенными, переводятся в состояние блокировки. Заблокированный порт не пересылает данные, разрывая петлю, но продолжает прослушивать сообщения STP, чтобы принять работу, если активный путь выйдет из строя.

Коммутаторы координируют работу с помощью BPDUs (блоков данных протокола моста) — небольших сообщений, которыми они обмениваются. BPDUs содержат идентификаторы мостов и стоимости путей, позволяя коммутаторам выбрать корень, рассчитать пути и обнаружить изменения топологии. Если заблокированный порт перестаёт получать BPDUs, STP предполагает, что соединение вышло из строя, и может снова задействовать этот порт для восстановления пути.

Классический STP переводит порты через состояния: блокировка, прослушивание, обучение и пересылка. Такой переход не позволяет порту начать пересылку слишком рано и случайно создать временную петлю. Недостаток — задержка: полное открытие порта занимает примерно от 30 до 50 секунд. Именно медленная сходимость побудила создать более быстрые версии протокола.

RSTP (протокол быстрого связующего дерева, 802.1w) — современное улучшение. Он сходится всего за несколько секунд, а не за десятки секунд, упрощая состояния портов и напрямую согласуя изменения между коммутаторами. RSTP обратно совместим со старым STP и используется по умолчанию на большинстве современных коммутаторов, поэтому отказавшее соединение восстанавливается значительно быстрее.

Часто используются две полезные функции. PortFast позволяет порту доступа, подключённому к конечному устройству, пропустить состояния ожидания и сразу начать пересылку, поскольку один PC не может создать петлю. Защита BPDU защищает такие порты, отключая их при неожиданном получении BPDU: это означало бы, что кто-то подключил коммутатор к порту, предназначенному для PC.

Сходимость — это время, необходимое STP, чтобы после изменения перейти в стабильное состояние без петель. Когда активное соединение выходит из строя, BPDUs перестают поступать туда, где их ожидают, STP выполняет перерасчёт, и ранее заблокированный порт переходит в состояние пересылки, восстанавливая путь. Классическому STP для сходимости требуются десятки секунд; RSTP справляется за несколько секунд. Более быстрая сходимость означает более короткие перебои, поэтому на современных коммутаторах RSTP заменил классический STP.

STP и его более быстрый вариант RSTP работают почти на каждом управляемом коммутаторе, незаметно предотвращая широковещательные штормы, которые создавали бы петли, и сохраняя резервные соединения. Понимание выбора корневого моста, ролей портов и BPDUs — важная часть знаний для Network+. Когда резервное соединение должно принять работу, именно STP решает, как сохранить сеть без петель; с RSTP это происходит за считанные секунды.

Проверьте свои знания об основах STP.

Протокол связующего дерева (STP) предотвращает петли, сохраняя резервные соединения в качестве запасных. Он выбирает корневой мост (с наименьшим идентификатором моста), на каждом коммутаторе выбирает направленный к корню корневой порт, по одному назначенному порту для каждого сегмента, а остальные переводит в состояние блокировки. Коммутаторы координируют работу с помощью BPDUs. Классический STP работает медленно, а RSTP сходится за несколько секунд. PortFast ускоряет работу портов конечных устройств, а защита BPDU обеспечивает их безопасность.