Жабылғыш ағаш хаттамалары Протоколы покрывающего дерева

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

• Жабылғыш ағаш” хаттамалары (Протоколы «покрывающего дерева» ) • Spanning Tree Protocols • 802. 1 d (STP) • 802. 1 w (RSTP) • 802. 1 s (MSTP

Қазіргі уақытта интеграторлар мен желілік администраторлар хаттамалар мен функциялардың көптеген жиынын байланыс арнасының сенімділігі пен өндірушілігін үлкейту үшін қолдана алады. Олардың ең көп таратылғаны болып коммутаторлар арасында резерв негізінде байланыс жасау екі топологиясы белгілі:

- резервтеу режимі; (режим резервирования) біреуі қосылып, ал қалғандары қабылдамаған байланысты алмастыруға арналған “ыстық” резервте болады – бұл STР хаттамасы - жүктеме баланс режимі; (режим баланса нагрузки) мәліметтер барлық альтернативті байланыспен параллель таратылады.

Компьютер желісінің тұрақтық келіспеуінің жоғарлығына қолданылатын екінші әдіс, бұл - Spanning Tree Protocol. 1983 ж. бұрынырақ шығарылған болса да әлі де актуалды. Ethernet желісінде коммутаторлар тек бұрынғы байланысты қолдайды, олардың ілгіштері жоқ. Бұл дегеніміз, альтернативті арналар ұйымы үшін Ethernet қатысты базалықтың шегінен шығатын ерекше протоколдар мен технологиялар қажет.

Spanning Tree (STA) алгоритмі порттардың өзара ерікті қосылуы кезінде коммутаторларға желіде ежелгі байланыс конфигурациясын автоматты анықтауға мүмкіндік береді. STP хаттамасы бар коммутаторлар компьютерлік желіде ілгішсіз ежелгі байланыс конфигурациясын автоматты түрде жасайды. Осындай конфигурация жабылғыш ағаш – Spanning Tree деп аталады (кейде оны остовтық (негізгі) ағаш дейді).

Жабылғыш ағаш конфигура- циясы коммутаторлармен автоматты түрде жұмыс дестесі айырбасының қолдануымен құрылады. STP протоколының жұмысын толық қарастырайық. STА алгоритмі әр мостқа идентификатор қосылуын қажет етеді. Мост идентификаторы – 8 байттық өріс. Ол екі бөліктен тұрады: - 2 -байттық администатормен берілген приоритеттен;

- оның басқару блогы 6 -байттық МАС -адрестен. Әр мостқа мост шамасындағы бірегей идентификатор беріледі, әдеттегідей бұл МАС-адрес. Әр мост портына локалды желімен берілген порт арқылы кадр таралуы сапарының құны беріледі.

• Байланыстыратын ағашты есептеу процесі ағаш құрылатын түптік мостың (root switch) таңдауынан басталады. Түптік мост түрінде идентификатор мәні төмен коммутатор алынады. Кейде бұндай шешім рационалды болмауы мүмкін. Түптік мост ретінде белгілі бір құрылғы таңдалуы үшін (желі структурасынан шыға отырып) администратор сай келетін коммутаторға аз идентификаторды қолмен иелендіре отырып таңдау процесіне әсер бере алады.

STP жұмысының екінші кезеңі – желінің қалған әр коммутаторы үшін түптік порт (root port) таңдауы. Коммутатордың түптік порты – желімен түптік коммутаторға дейін ең аз ара қашықтығы бар порт. STP жұмысының үшінші қадамы – тағайындалған порттардың анықтамасы.

Коммутацияланатын желіде әр сегментінің бір тағайындалған порты (designated port) болады. Бұл порт мостың жалғыз порты ретінде істелінеді, яғни сегменттен дестелерді қабылдайды және оларды берілген коммутатордың түптік порты арқылы түптік мостың бағытына таратады.

Берілген сегментке тағайындалған порты бар коммутатор осы сегменттің тағайындалған мосты (designated bridge) деп аталады. Тағайындалған сегмент порты берілген сегментке қосылған барлық порт ішіндегі түптік мостқа дейін ең аз ара қашықтықты алады. Тағайындалған порт сегментте жалғыз болуы мүмкін.

• Түптік моста барлық порт тағайындалған болып саналады, ал олардың түптеріне дейінгі ара қашықтығы нөлге тең болады. • Түптік моста түптік порт болмайды.

• Жабқыш ағаштың құрылымы кезінде аза маңызды ұғым болып ара қашықтық саналады. Сондықтан талап ретінде әр коммутаторды түптік коммутатормен жалғастыратын және желінің әр сегменттін түптік коммутатормен жалғастыратын жалғыз порт алынады.

• Қалған барлық порттар резервтік жағдайға аударылады, яғни бұл жағдайда олар қарапайым берілген кадрларды тасымалдамайды. Желіде осындай белсенді порттарды таңдалуында ілгіштер шығарылады және қалған байланысты жабқыш ағаш жасайды.

STA-дағы ара қашықтық ретінде жол бағасы (Path Cost) қолданылады – ол берілген коммутатордын портынан түптік коммутатор портына мәліметтер тасымалына қосынды шартты уақыт ретінде анықталады. Сегметтің шартты уақыты ақпараттың бір битін тасымалдау уақыты ретінде есептелінеді және 10 наносекундтық бірлікпен өлшенеді. Ethernet-тің сегменті 10 Мбит/с үшін шартты уақыты 10 шартты бірлікке тең.

Байланыстыратын ағаштың есептелуі коммутаторды қосқанда және топология өзгерген кезде өтеді. Бұл есептеулер байланыстыратын ағаштың коммутаторлары арасында ақпаратты периодикалық айырбасын қажет етеді, олар берілген мост протоколының блогы - BPDU (Bridge Protocol Data Unit) деп аталатын арнайы дестелер арқылы жетеді.

BPDU дестелерінде ілгішсіз желі топологиясын құруға арналған негізгі ақпарат бар: • түптік коммутатор таңдалатын коммутатор идентификаторы; • шығыс коммутатордан түптік коммутаторға дейінгі ара қашықтық (түптік маршрут бағасы); • порт идентификаторы.

BPDU дестелері арна деңгейіндегі берілген кадрлардың өрісіне орналасады, мысалы: Ethernet кадры. Коммутаторлар BPDU-мен уақыттың тең интервалы арқылы алмасады (әдетте 1 -4 с). Мостың қабыл алмауы кезінде (ол топология өзгерісіне алып келеді) көрші коммутаторлар BPDU алмай жатып байланыстырушы ағашты қайта есептей бастайды.

Протокол ID (2 байт) Версия (1 байт) Тип BPDU (1 байт) Флаги (1 байт) Корневой ID (8 байт) Стоимость пути до корневого (4 байт) ID коммутатора (8 байт) Порт ID (2 байт) Возраст сообщения (2 байт) Максимальный возраст (2 байт) Время приветствия (2 байт) Задержка перехода (2 байт) Формат пакета BPDU Для функционирования протокола STP коммутаторы должны иметь возможность обмениваться информацией. Это достигается с помощью Ethernet пакетов Bridge Protocol Data Unit (BPDU), помещаемых внутрь передаваемых по сети кадров канального уровня. Протокол BPDU обеспечивает обмен информацией между коммутаторами в сети.

BPDU дестесінің форматы Протокол ID (2 байт) Версиясы (1 байт) BPDU түрі (1 байт) Флаг (1 байт) түптік коммутатор ID (8 байт) түпке дейінгі ара қашықтық (4 байт) коммутатор идентификаторы ID (8 байт) порт идентификаторы ID (2 байт) хабардың өмір сүру уақыты (2 байт) хабардың өмір сүруінің максималды уақыты (2 байт) BPDU дестелері жіберілетін hello (қарсы алу уақыты (2 байт) жағдай ауыстыруының бөгеті (2 байт)

BPDU дестелерінде келесі өрістер бар: - STA протоколы - 2 байт идентификатор. Коммутаторлар STA протоколының бір версиясын ұстап тұру керек, әйтпесе ілгіштермен белсенді конфигурация орналуы мүмкін; - BPDU - 1 байт түрі. BPDU-ның екі түрі бар – конфигурациялық BPDU, яғни негізінде белсенді конфигурацияның анықтамасы жатқан түптік коммутатор болуға мүмкіндік беретін тапсырыс

- және реконфигурация туралы BPDU ескертуі, ол оқиғаны тапқан, реконфигурация өткізгенді талап ететін коммутатормен жіберіледі – яғни: байланыс желісінің қабыл алмауы, порттың қабыл алмауы, коммутатор не порттың приоритетінің өзгеруі;

• - 1 байт - флаг. Бір битта конфигурация өзгерісінің флагы бар, екінші битта конфигурация өзгерісінің растау флагы бар; • - түптік коммутатор идентификаторы - 8 байт; • - түпке дейінгі ара қашықтық - 2 байт; • - коммутатор идентификаторы - 8 байт; • - порт идентификаторы - 2 байт;

• - хабардың өмір сүру уақыты - 2 байт. Бірлікте 0. 5 с-пен өзгереді, ескірген хабарды шығаруға қызмет етеді. BPDU дестесі коммутатормен өткен кезде ол дестенің өмір сүру уақытына берілген коммутатормен кеткен уақытын қосады; • - хабардың өмір сүруінің максималды уақыты - 2 байт. Егер BPDU дестесінің өмір сүру уақыты максималды уақыттан асатын болса, онда оны коммутатор елемейді;

• - BPDU дестелері жіберілетін hello (қарсы алу уақыты) интервалы; • - жағдай ауыстыруының бөгеті - 2 байт. Белсенді кездегі коммутаторлар порттары өтуінің минималды уақыты. Бұндай бөгет реконфигурация уақытындағы порт жағдайының бірқалыпсыз ауысуы кезінде альтернативті маршруттардың уақытша пайда болуын жоюға керек.

BPDU дестесінде реконфигурация туралы ескертуінде екі алғашқысынан басқа барлық өріс болмайды. Порт жұмысының жағдайы. STP коммутатор порттарының бес түрлі жұмыс режимін қарастырады:

Blocking – Коммутаторды белгілеген кезде барлық порттар (өшірілгендерінен басқа) автоматты түрде “Блокталған” режиміне ауысады. Бұл кезде порт тек BPDU дестелерін негіздейді, қабылдайды, қорытады, қайта трансляциялайды. Қалған дестелер таратылмайды.

• Listening – STA алгоритмі жұмыстың бастапқы уақытында коммутатор порттары “Тыңдау” жағдайына өтеді. Бұл кезде BPDU дестелері басқа коммутаторлардан алынбаған және коммутатор өзін түптік деп есептейді, ал өзінің барлық порттарын – тағайындалған. Ол режимде порт жағдай ауысу таймерінің (Forwarding Timer) аяқталуына дейін болуы мүмкін. Таймер көмегі арқылы өтетін интервал 4 тен 30 с-ға дейін өзгере алады және ол желідегі бүкіл коммутатордан BPDU алү үшін қажет.

Listening • Бұл режимде порт BPDU дестелерін негіздеу, қабылдау, қорыту, қайта трансляциялауды жалғастыра береді. Егер осы уақыт арасында порт BPDU-ны өзінікінен (ара қашықтық, коммутатор не порт идентификаторы) жақсы параметрлерімен алса, онда ол “Блокталған” режиміне ауысады. Кері жағдайда порт “Оқу” режиміне ауысады.

Learning – Оқу – порт дестелерді қабылдай бастайды және шығыс адресінің негізінде коммутация кестесін құрайды. Порт бұл жағдайда әлі де дестелерді жылжытпайды. Порт STA алгоритм жұмысына қатысуда жалғастырады, және BPDU жақсы параметрлерімен келген кезде Blocking “Блокталған” жағдайға ауысады.

• Forwarding – Жылжыту – тек таймермен екіреттік ұстамнан кейін порт Жылжу жағдайына ауысады және құрастырылған кестемен жағдайда берілгендер дестесін өңдейді.

• Disable – Өшірілген – бұл жағдайға портты администратор ауыстырады. Өшірілген порт STP протокол жұмысында да, берілгендер дестесінің жылжуында да қатыспайды. Портты сол сияқты қолмен қосуға да болады және ол алдымен Blocking жағдайына ауысады.

• IEEE 802. 1 w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) протоколы 802. 1 d STP стандартының дамуы болып саналады. Ол STP коммутаторладың кейбір жаңа функцияларын қосқанға кедергі болған бөлек шектеулерін билеу үшін арналған, мысалы, 3 -деңгейлі функция Ethernet коммутаторларында барған сайын көбірек қолданылады.

Порт жағдайлары 802. 1 d STP Өшірілген Блокталған Тыңдау Оқу Жылжу 802. 1 w RSTP ЖІБЕРУ Оқу Жылжу

STP 802. 1 d және RSTP 802. 1 w протоколдарының маңызды айырмашылығы болып порттардың жылжу жағдайына өту амалы және сол ауысу топологияда порт роліне әсері табылады. RSTP Disabled, Blocking және Listening, STP-да қолданылатын жағдайларын біріктіреді және порт белсенді емес кезіндегі жалғыз жағдайды Discarding (Отбрасывание) -ЖІБЕРУ - жасайды.

• MSTP (Multiple Spanning Tree) протоколы 802. 1 D STP және 802. 1 w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) протоколдарымен қайта қосыла алады және әр түрлі VLAN-да STP бірнеше тәуілсіз “ағаштар” күйіне келтіре алады – администратор топтай алады және VLAN-ды бөлек “жалғастырушы ағашқа” (spanning tree) тағайындай алады.

• Әрбір осындай “ағаштың” басқа “ағаштардан” тәуелсіз өзінің топологиясы бола алады. MSTP арқасында администрирование тапсырмасы мен үлкен желілірді басқару жеңілдейді: мәлімет тарататын резервті маршрутизаторлады бірнеше VLAN-ды және алынған желі сагментінде тәуелсіз “ағаштарды” жөндеу арқылы қолдануға болады:

• стандартталан IEEE 802. 1 s; • MSTP 802. 1 q VLAN желісінде бірден көп STP көшірмесін қолдануға мүмкіндіе береді. Ол бір VLAN-ды бір STP көшірмесімен байланысыра алады, ал басқасын коммутаторлар арасында бірнеше байланыс бере отырып басқасымен;

• сол сияқты MSTP жүктемені таратуға мүмкіндік береді; • MSTP әр көшірмесі (жабатын ағаш) сол сияқты желіде одан да тез қолайлық үшін RSTP протоколын қолданады. •

Три функции коммутации уровня 2 Изучение адресов Переключатели уровня 2 и мосты запоминают аппаратный адрес источника из каждого полученного интерфейсом кадра и хранят эту информацию в своей базе данных МАСадресов. Решение о пересылке или фильтрации Когда интерфейс получает кадр, переключатель анализирует аппаратный адрес назначения и ищет в своей базе данных МАС-адресов нужный интерфейс.

• Исключение зацикливания Если между переключателями для избыточности создано несколько путей, то могут появиться зацикленные пути передачи информации. Протокол STP (Spanning-Tree Protocol – протокол покрывающего дерева) позволяет исключить зацикливание пакетов в сети при сохранении избыточности.

Последовательность действий коммутатора в сети Ethernet 1. Когда на порт поступает одноадресный фрейм, коммутатор сравнивает адрес MAC адресата с адресами MAC, содержащимися в его таблице 2. Если Коммутатор решает, что адрес MAC адрес получателя фрейма находится в том же самом сегменте сети что и источник, то он не отправляет фрейм. Этот процесс называют фильтрация. При помощи фильтрации, устраняя ненужные фреймы, коммутаторы могут значительно уменьшить количество трафика, идущего между сетевыми сегментами

3. Если Коммутатор решает, что адрес MAC адрес получателя фрейма находится не в том же самом сегменте сети что и источник, то он передает фрейм в соответствующий сегмент 4. Если Коммутатор не знает, где находится получатель, то он передаст фрейм во все порты, кроме порта с которого он получил фрейм. Этот процесс называют наводнение сети

3. Поскольку адрес получателя – широковещательный, то коммутатор записывает 2. Коммутатор записывает MAC фрейм во все порты, кроме адрес отправителя и порта с которого он получил коммутатора, который получил фрейм, в таблицу MAC адресов 6. Коммутатор может теперь отправить фреймы между PC A и PC B без наводнения, потому что имеются записи в таблице Пример коммутации 1. Коммутатор получает широковещательный фрейм от PC А на порт 1 5. Коммутатор вводит исходный MAC адрес PC B и порт, который получил фрейм в таблицу MAC адресов. Адрес получателя фрейма и связанного с этим адресом порта найден в таблице MAC 4. В ответ на этот широковещательный фрейм, удаленные MAC адресов, которые идентифицируют связанные устройства посылают PC A одноадресный фрейм порты В ответ на этот

1. Хост 1 посылает кадр хосту 3. МАС-адрес первого хоста равен 0000. 8 c 01. llll, а МАС-адрес третьего хоста равен 0000. 8 c 01. 2222. 3. В базе данных МАС-адресов еще нет адреса назначения, поэтому кадр передается во все интерфейсы. 2. Переключатель принимает кадр в интерфейсе ЕО/1 и помещает в таблицу МАСадресов адрес источника. 4. Хост 3 получает кадр и откликается на вызов хоста 1. Переключатель принимает этот ответный кадр в интерфейсе Е 2 и помещает аппаратный адрес источника второго кадра в базу данных МАС - адресов. 5. Хосты 1 и 3 могут установить соединение "точка-точка", причем кадры будут пересылаться только между этими двумя устройствами. Хосты 2 и 4 не будут "видеть" подобные кадры. Если в течение определенного времени два устройства не будут откликаться во время передачи кадров через переключатель, то переключатель очистит соответствующие записи в своей базе данных, чтобы поддержать корректность таблицы адресов.

Физическая избыточность в локальной Сети Ethernet

Широковещательный адрес Дублирование кадров

Поскольку кадры одновременно передаются в широковещательных рассылках по всем дублирующим соединениям, могут возникать зацикливания, а также другие проблемы. Наиболее серьезные негативные последствия перечислены в списке: 1. Если не реализована схема исключения зацикливания, переключатель переполнит бесконечными широковещательными рассылками объединенную сеть. Это называется штормом широковещательных рассылок (broadcast storm). В сети L 2 Ethernet не допускаются петли. Если они есть, то это может вызвать Широковещательный шторм (Broadcast Storm). 2. Устройство может получить несколько копий одного кадра, поскольку кадры одновременно поступают из разных сегментов.

3. Таблица фильтрации МАС-адресов не может быть заполнена корректно, поскольку переключатель получает ответы от одного устройства по нескольким связям. Вполне возможно, что переключатель не сможет переслать кадр, поскольку будет постоянно обновлять таблицу фильтрации МАСадресов на основе постоянно меняющихся сведений о местоположении аппаратного адреса источника. 4. Наиболее опасной проблемой является генерация нескольких зацикленных путей в объединенной сети. Зацикливание одного пути порождает зацикливание в других путях по сети, а шторм широковещательных рассылок будет усиливаться до такой степени, что произойдет полная остановка в работе сети. Избежать проблем с зацикливанием помогает протокол (алгоритм) покрывающего дерева Spanning-Tree Protocol (STP).

Исключение зацикливания Для предотвращения подобных ситуаций был создан специальный протокол Spanning Tree Protocol (STP). Основной задачей STP является приведение сети Ethernet с множественными связями к древовидной топологии, исключающей циклы пакетов. Происходит это путем автоматического блокирования ненужных в данный момент для полной связности портов. STP

Протокол STP был разработан в 1983 г. , фирмой Digital Equipment Corporation, а впоследствии опубликован комитетом IEEE 802 в виде спецификации IEEE 802. 1 d. Основная цель разработки протокола заключалась в устранении логических и физических петель в сетях, построенных с использованием мостов. Кроме того, протокол автоматически переконфигурирует сетевую топологию в случаях обрывов линий связи или аппаратных ошибок оборудования, однако время восстановления 0, 5 – 30 сек. Алгоритм Spanning Tree (STA) позволяет коммутаторам автоматически с использованием обмена служебными пакетами определять древовидную конфигурацию связей в сети произвольном соединения портов между собой. Такая конфигурация называется покрывающим деревом - Spanning Tree.

Алгоритм работы STP. 1. В сети определяется или выбирается один корневой коммутатор (Root Bridge) от которого строится дерево. Корневой порт – имеет кратчайшее из всех портов данного моста расстояние до корневого моста (точнее, до любого из портов корневого моста). 2. Далее каждый отличный от корневого коммутатор просчитывает кратчайший путь к корневому. Соответствующий порт называется корневым портом (Root Port). Он у каждого коммутатора только один!

Расстояние до корня (root path cost) определяется как суммарное условное время на передачу данных от порта данного моста до порта корневого моста. Условное время сегмента (designated cost) рассчитывается как время, затрачиваемое на передачу одного бита информации в 10 наносекундных единицах между непосредственно связанными по сегменту сети портами. Так, для сегмента Ethernet это время равно 10 условным единицам. Алгоритм STР не связан с каким-либо определенным стандартом канального уровня, он может применяться к мостам, соединяющим сети различных технологий.

3. Для каждого логического сегмента сети выбирается так называемый назначенный мост (designated bridge). Один из портов которого будет принимать пакеты от сегмента и передавать их в направлении корневого моста через корневой порт данного моста, а также принимать пакеты для данного сегмента, пришедшие на корневой порт со стороны корневого моста. Такой порт называется назначенным портом. Назначенный порт сегмента имеет наименьшее расстояние до корневого моста, среди всех портов, подключенных к данному сегменту. Назначенный порт у сегмента может быть только один. У корневого моста все порты являются назначенными, а их расстояние до корня полагается равным нулю. Корневого порта корневого моста нет.

4. Можно доказать, что если определить каким-либо образом корневой мост, то зная пропускную способность каждого сегмента и связи между портами мостов и сегментов, можно однозначно определить по расстоянию до корня корневые порты мостов и назначенные порты сегментов, и если все остальные порты мостов, кроме корневых и назначенных заблокировать, то получится дерево без петель. Т. о. на всех коммутаторах блокируются все порты, не являющиеся корневыми и назначенными. В итоге получается древовидная структура (математический граф) с вершиной в виде корневого коммутатора.

Для того, чтобы мосты могли идентифицировать себя и своих ближних и дальних соседей по сети, каждой мост, поддерживающий STA, имеет уникальный идентификатор. Этот идентификатор состоит из двух частей. Младшую часть составляет MAC-адрес моста, имеющий длину 6 байтов (не отдельного порта моста, а всего моста в целом, порты мостов MAC-адресов не имеют). Старшая часть, имеющая длину 2 байта, приоритетом данного моста, и его может администратор сети по своему усмотрению является изменять MAC-адрес устанавливается производителем для обеспечения его всемирной уникальности.

Идентификатор моста играет определяющую роль при выборе корневого моста. Приоритет имеет преимущественное значение в выборе - корневым выбирается мост, имеющий наименьшее значение идентификатора, а так как поле приоритета находится в старших разрядах, то его значение подавляет значение MAC-адреса. Если же администратор назначил всем мостам равный приоритет (то есть не захотел влиять на выбор корневого моста), то корневым будет выбран мост с наименьшим значением MAC-адреса.

Порты внутри каждого моста также имеют свои идентификаторы. Идентификатор порта 2 байта первый из которых (старший) может изменяться администратором и является приоритетом порта, второй представляет собой порядковый номер порта для данного моста. Идентификатор порта используется при выборе корневого и назначенного порта моста – если несколько портов имеют одинаковое расстояние до корня, то выбирается тот порт, идентификатор которого меньше. Аналогично случаю с идентификатором моста, приоритет порта может быть задан администратором для того, чтобы данный порт получил преимущество перед другими.

Корневой коммутатор (Root Bridge) для всей сети Назначенный порт 1 (Designated Port) А 2 Назначенный порт (Designated Port) сегмент X Корневой порт (Root Port) сегмент Y В сегмент Z 1 2 Блокированный (Blocking) порт С 1 Корневой порт (Root Port) 2 Назначенный порт (Designated Port) Блокированный порт (Blocking) принимает и обрабатывает только пакеты BPDU. Все остальные отбрасываются.

Для автоматического определения начальной активной конфигурации дерева все мосты сети после их инициализации начинают периодически обмениваться специальными пакетами, называемыми протокольными блоками данных моста - BPDU (Bridge Protocol Data Unit). Пакеты BPDU помещаются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet. Все мосты должны поддерживать общий групповой адрес, с помощью которого кадры, содержащие пакеты BPDU, передаются одновременно всем мостам сети.

Формат пакета BPDU Протокол ID (2 байт) Версия (1 байт) Тип BPDU (1 байт) Флаги (1 байт) Корневой ID (8 байт) Стоимость пути до корневого (4 байт) ID коммутатора (8 байт) Порт ID (2 байт) Возраст сообщения (2 байт) Максимальный возраст (2 байт) Время приветствия (2 байт) Задержка перехода (2 байт) Для функционирования протокола STP коммутаторы должны иметь возможность обмениваться информацией. Это достигается с помощью Ethernet пакетов Bridge Protocol Data Unit (BPDU), помещаемых внутрь передаваемых по сети кадров канального уровня. Протокол BPDU обеспечивает обмен информацией между коммутаторами в сети.

Пакет BPDU имеет следующие поля: Идентификатор версии протокола STA - 2 байта. Коммутаторы должны поддерживать одну и ту же версию протокола STA, иначе может установиться активная конфигурация с петлями. Тип BPDU - 1 байт. Существует два типа BPDU: конфигурационный BPDU, то есть заявка на возможность стать корневым коммутатором, на основании которой происходит определение активной конфигурации, и BPDU уведомления о реконфигурации, которое посылается коммутатором, обнаружившим событие, требующее проведения реконфигурации - отказ линии связи, отказ порта, изменение приоритетов коммутатора или портов. Флаги - 1 байт. Один бит содержит флаг изменения конфигурации, второй бит - флаг подтверждения изменения конфигурации. Идентификатор корневого коммутатора - 8 байтов.

Расстояние до корня - 2 байта. Идентификатор коммутатора - 8 байтов. Идентификатор порта - 2 байта. Время жизни сообщения - 2 байта. Измеряется в единицах по 0. 5 с, служит для выявления устаревших сообщений. Когда пакет BPDU проходит через коммутатор, тот добавляет ко времени жизни пакета время его задержки данным коммутатором. Максимальное время жизни сообщения - 2 байта. Если пакет BPDU имеет время жизни, превышающее максимальное, то он игнорируется коммутаторами. Интервал Hello, через который посылаются пакеты BPDU. Задержка смены состояний - 2 байта. Минимальное время перехода портов коммутатора в активное состояние. Такая задержка необходима, чтобы исключить возможность временного возникновения альтернативных маршрутов при неодновременной смене состояний портов во время реконфигурации.

Идентификатор коммутатора (Bridge Identifier BID) имеет размер 8 байт и состоит из MAC адреса и приоритета (BID = MAC + Priority) и описывает текущий коммутатор, через который прошел пакет BPDU. Идентификатор корневого коммутатора (Root Bridge Identifier RBID) формируется так же как и BID (RBID = MAC + Priority), только характеризует корневой коммутатор и переносится неизменным в отдельном поле BPDU. Стоимость пути на каждом порту (Port Cost) учитывается при вычислении кратчайшего пути до корня. Расстояние до корня (Root Path Cost) RPC описывает расстояние до корневого коммутатора в условных единицах по конкретному пути. Максимальное время жизни сообщения (Max Age) учитывается следующим образом: если пакет BPDU имеет время жизни (Message Age) превышающее максимальное, то он игнорируется.

Время жизни (Message Age) служит для выявления устаревших сообщений. Корневой коммутатор выпускает BPDU с Message Age равным нулю. Каждый коммутатор по пути следования BPDU увеличивает Message Age на единицу и ретранслирует дальше. Кроме того, входящее значение Message Age на порту внутри коммутатора является стартовым для таймера, который производит ежесекундное увеличение своего значения. В случае превышения таймером параметра Max Age информация о BPDU уничтожается, так как считается, что она устарела. Обычно задолго до устаревания приходит новый пакет BPDU и происходит сброс значения таймера до Message Age из нового BPDU. И так далее. Время жизни сообщения - 2 байта. Измеряется в единицах по 0. 5 с. служит для выявления устаревших сообщений. Когда пакет BPDU проходит через мост, тот добавляет ко времени жизни пакета время его задержки данным мостом.

Для своей работы STP строит граф, называемый также «деревом» , создание которого начинается с корня (root). Корнем становится одно из STP-совместимых устройств, выигравшее выборы. Каждое STP-совместимое устройство (коммутатор, маршрутизатор или др. ) при включении считает, что оно является корнем. При этом оно периодически посылает на все свои порты специальные блоки данных – Bridge Protocol Data Units (BPDU). Адрес получателя в пакетах, несущих BPDU, является групповым, что обеспечивает его пропуск неинтеллектуальным оборудованием. Время приветствия (Hello Time) характеризует интервал, через который посылаются пакеты BPDU.

STP управляет топологией путем изменения состояния портов, которое может принимать следующие значения: блокирование (Blocking); прослушивание (Listening); обучение (Learning); коммутация (Forwarding); отключен (Disable). Блокированный порт (Blocking). При инициализации коммутатора все порты (за исключением отключенных) автоматически переводятся в состояние "Заблокирован". В этом случае порт генерирует, принимает, обрабатывает и ретранслирует только пакеты BPDU. Все остальные пакеты не передаются.

Отключен (disabled) - порт не участвует ни в каких операциях, и может быть выведен из этого состояния только с помощью протокола управления мостом (по сети или локально). Заблокирован (blocked) - конфигурационные принимаются, обрабатываются и передаются. BPDU Прослушивание (listening) - конфигурационные принимаются, обрабатываются и передаются. BPDU Обучение (learning) - порт принимает конфигурационные BPDU, обрабатывает их и передает, а также принимает и обрабатывает информационные кадры канального протокола (строит адресную таблицу). Трансляция (forwarding) - порт участвует во всех операциях моста - принимает конфигурационные BPDU, обрабатывает их и передает, а также принимает, обрабатывает и передает информационные кадры канального протокола.

Состояние прослушивания (Listening) является промежуточным между блокированием и обучением. В начальный момент работы алгоритма STР порты коммутатора переходят в состояние "Прослушивание". В этот момент пакеты BPDU от других коммутаторов еще не получены и коммутатор считает себя корневым, а все свои порты - назначенными. В том режиме порт может находится до истечения таймера смены состояний (Forwarding Timer). Интервал, выдерживаемый с помощью таймера может изменяться от 4 до 30 с. и нужен он для получения BPDU от всех коммутаторов сети. В этом режиме порт продолжает генерировать, принимать, обрабатывать и ретранслировать BPDU. Если в течение этого времени порт получит BPDU с лучшими параметрами, чем собственные (расстояние, идентификатор коммутатора или порта), то он перейдет в состояние "Заблокирован". В противном случае порт переводится в состояние "Обучение".

Порт в режиме обучения (Learning) начинает принимать все пакеты и на основе MAC адресов источников строить таблицу коммутации. Однако коммутация (продвижение) на данном этапе не производится. Порт продолжает участвовать в работе алгоритма STР, и при поступлении BPDU с лучшими параметрами переходит в состояние Blocking "Заблокирован". Режим коммутации (Forwarding) является штатным режимом продвижения всех пакетов. Только после двукратной выдержки по таймеру порт переходит в состояние Продвижение и обрабатывает пакеты данных в соответствии с построенной таблицей Disable - Отключен - в это состояние порт переводит администратор. Отключенный порт не участвует ни в работе протокола STP, ни в продвижении пакетов данных. Порт можно также вручную включить и он сначала перейдет в состояние Blocking.

Практический пример. Предположим, имеется сетевая топология из трех коммутаторов A, B, C. Коммутаторы связаны между собой через разделяемые сетевые сегменты X, Y и Z. Сконфигурируем их следующим образом: приоритет коммутатора A установим 8192, приоритет B и C по 32768. Стоимость портов 1 и 2 коммутатора B установим 100. Стоимость портов 1 и 2 коммутатора C установим 50. 1 А Приоритет 2 коммутатора A= 8192 сегмент X сегмент Y В приоритет B= 32768. сегмент Z 1 2 Стоимость портов 1 и 2 коммутатора B = 100. С 1 2 приоритет C= 32768. Стоимость портов 1 и 2 коммутатора C= 50.

После включения STP начинаются выборы корневого коммутатора. Все коммутаторы, считая себя корневым, начинают рассылать BPDU с идентификатором корневого коммутатора. После того, как коммутатор получает BPDU с идентификатором корневого коммутатора меньшим, чем он сам, он перестает считать себя корневым. В итоге выборов корневым становится коммутатор с наименьшим идентификатором. Мы этого намеренно добивались для коммутатора A, установив его приоритет заведомо меньше, чем у B и C. Корневой коммутатор в сети – единственный. Желательно, чтобы им становился наиболее мощный коммутатор ядра сети. Непосредственно после выборов корневой коммутатор начинает генерировать (передавать) на всех своих портах BPDU с определенным периодом (период можно настраивать, обычно это 1 -2 секунды). Все остальные коммутаторы только ретранслируют получаемые от корневого BPDU, изменяя в них только некоторые параметры (например, стоимость пути до корня).

Непосредственно после выборов корневой коммутатор начинает генерировать (передавать) на всех своих портах BPDU с определенным периодом (период можно настраивать, обычно это 1 -2 секунды). Все остальные коммутаторы только ретранслируют получаемые от корневого BPDU, изменяя в них только некоторые параметры (например, стоимость пути до корня). Приоритет А=8192 1 X Приоритет B=32768. 1 А Y В Z 2 Стоимость портов 1 и 2 коммутатора B =100. 2 Приоритет C=32768. С 1 2 Стоимость портов 1 и 2 коммутатора C = 50.

BPDU от корневого коммутатора достигают всех коммутаторов в сети. В нашем случае корневой коммутатор A посылает в сторону B и C на порты 1 и 2 пакеты BPDU, содержащие RBID=[MAC A + A Priority] и RPC = 0, так как A является корневым и следовательно путь до корня от самого A равен 0. Коммутатор B при получении на порту 1 BPDU от A добавляет входную стоимость порта (которая равна 100) к RPC, содержащейся в BPDU (0). Коммутатор B запоминает стоимость пути к корню через порт 1 (RPC = 100) и посылает в сторону C пакет BPDU с RBID=A и RPC=100.

Коммутатор С добавляет к полученным RPC свои входные стоимости портов и в итоге получает RPC через порт 1 = 150 и RPC через порт 2 = 50. Он выбирает путь к корню с наименьшей стоимостью (а это RPC=50 через порт 2) и в соответствии с этим назначает корневой порт – 2. Тот же коммутатор С посылает в сторону B BPDU с RBID=A и RPC=50. Коммутатор B уже имеет информацию о достижении корня (порт 1, RPC=100) и, получив BPDU от С (RBID=A и RPC=50), и добавив к нему свою входную стоимость (100), выполняет несложный выбор – корневым (с наименьшим RPC=100) становится порт номер 1.

Приоритет А=8192 1 RBID=[MAC A + A Priority] и RPC = 0 Приоритет B=32768. А X В Z Стоимость портов 1 и 2 коммутатора B =100. 1 2 RBID=A и RPC=0+100 =100 Корневой порт 1, RPC=100 и порт 2 RBID=A и RPC=100+50=150 2 RBID=[MAC A + A Priority] и RPC = 0 Y Приоритет C=32768. С 1 2 Стоимость портов 1 и 2 коммутатора C = 50. путь к корню: RBID=A и RPC=50 RPC через порт 1 =100+50 = 150 и RPC через порт 2 =0+50= 50 Корневой порт 2

После выбора корневых портов коммутаторами решается какой коммутатор (Designated Bridge) и его порт (Designated Port) будет обслуживать каждый конкретный сегмент сети. Это происходит аналогично выбору корневых портов – для каждого сегмента просчитывается кратчайший путь до корня. Последним этапом работы STP является блокирование на всех коммутаторах портов, не являющихся корневыми или назначенными. Блокировка STP работает только для передаваемых данных – BPDU через блокируемые порты пропускаются и линк будет по-прежнему активным. Приоритет А=8192 Назначенный порт 1 1 А X Cost =100. Назначенный порт 2 2 Y В С Z Cost Приоритет B=32768. Корневой порт 1 Блокированный порт 2 1 2 =100 = 50 1 Cost = 50. Приоритет C=32768. 2 Корневой порт 2 Назначенный порт 1

Кроме основной задачи построения беспетлевой топологии STP решает еще одну дополнительную – изменение времени хранения MAC адресов в таблицах коммутаторов в случае изменения состояния портов. Происходит это следующим образом: Коммутатор, на котором произошло изменение (например, отключился и снова включился порт), посылает в сторону корневого специальный BPDU Topology Change Notification (TCN). Корневой после его получения рассылает TCN для всех коммутаторов и они изменяют время хранения MAC адресов в своих таблицах с целью обеспечения коммутации пакетов с учетом возможных изменений (например, на порту изменился MAC адрес клиента, а коммутатор по умолчанию продержит соответствующую запись в таблице слишком долго).

Заключение. 1. Во всей сети выбирается ОДИН корневой мост. Это делается по наименьшему BID=MAC+BRIDGE PRIORITY. По умолчанию Priority=32768, поэтому при равных приоритетах выбирается коммутатор с меньшим MAC адресом. ВЫВОД: если требуется, чтобы коммутатор стал корневым - нужно сделать его приоритет наименьшим среди всех других коммутаторов. 2. КАЖДЫЙ коммутатор анализирует ВСЕ возможные варианты связи и просчитывает самый кратчайший путь (то есть СУММАРНУЮ стоимость пути) до корневого коммутатора. Порт, через который это достигается становится корневым. Он ОДИН у каждого коммутатора. Если стоимости пути равны (например два параллельных линка между коммутаторами), то используется дополнительный параметр – Port ID, в который входит Port Priority. ВЫВОД: если необходимо, чтобы конкретный линк связывал данный коммутатор с корневым – необходимо на конкретном порту получить наименьшую стоимость пути до корня. Это достигается изменением параметра "стоимость" на портах коммутаторов.

3. Для КАЖДОГО сегмента сети просчитывается кратчайший путь до корневого коммутатора. Коммутатор, через который этот путь проходит, становится назначенным коммутатором, а его порт, соединенный с данным сегментом, – назначенным портом. Выбор назначенного порта в каждом сегменте происходит по наименьшей стоимости пути или, при равных стоимостях, - по наименьшему Bridge ID. ВЫВОД: если необходимо, чтобы трафик в конкретный сегмент сети проходил через определенные коммутаторы, - нужно сделать общую стоимость пути через них до корня наименьшей. 4. Все порты не являющиеся Root или Designated – блокируются. Главное не забывать, что блокировка по STP не означает отсутствие физического линка! Блокирование касается только передаваемых данных, а BPDU должны передаваться безпрепятственно.

Развитие IEEE 802. 1 d Spanning Tree Protocol STP. IEEE 802. 1 w Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP Rapid STP (RSTP) характеризуется значительными усовершенствованиями STP, среди которых необходимо отметить уменьшение времени сходимости и более высокую устойчивость. IEEE 802. 1 х Per Vlan STP (PVSTP) в соответствии с названием расширяет функционал STP для использования Vlan. В рамках данного протокола в каждом Vlan работает отдельный экземпляр STP. IEEE 802. 1 s Multiple Spanning Tree Protocol, MSTP является наиболее современной реализацией STP, учитывающей все достоинства и недостатки предыдущих решений. Данный протокол предполагает конфигурирование необходимого количества экземпляров STP в не зависимости от числа Vlan на коммутаторе (в отличие от PVSTP, в котором число STP процессов равно числу Vlan) и вхождение Vlan в нужный STP экземпляр. В один экземпляр MST могут входить несколько виртуальных сетей.

Состояния портов В стандарте 802. 1 d определено 5 различных состояния портов: blocking (заблокирован), listening (прослушивание), learning (обучение), и forwarding (продвижение), отключен (disabled). • 802. 1 d Отключен Заблокирован Прослушивание Обучение Продвижение В стандарте 802. 1 w определено 3 различных состояния портов 802. 1 w: discarding (отбрасывание), learning (обучение), и forwarding (продвижение). • 802. 1 w Отбрасывание Обучение Продвижение

Скачать презентацию Жабылғыш ағаш хаттамалары Протоколы покрывающего дерева

6_D_1241_ris_STP.ppt

Количество слайдов: 82