Принцип работы Spanning Tree Protocol (STP) на устройствах Cisco

Технология Spanning Tree Protocol (STP) является одним из основных протоколов, используемых для обеспечения надежной и безопасной передачи данных в сети Cisco. Этот протокол позволяет настраивать виртуальное дерево коммутаторов, исключая циклы в сети и предотвращая возникновение петель.

Как работает STP? Протокол выбирает один из коммутаторов в сети в качестве корневого моста. Все остальные коммутаторы определяют свою роль в дереве: корневые мосты (root bridge), назначенные мосты (designated bridge) и некорневые мосты (non-root bridge). Задача каждого коммутатора – выбрать наименьший путь до корневого моста и активировать его, отключив при этом остальные пути.

STP работает на основе портов, которые могут быть в одном из трех состояний: блокировка, прослушивание и пересылка. Порты блокируются, чтобы предотвратить возникновение петель в сети. Прослушивающие порты активируется в момент, когда коммутатор переходит в состояние прослушивания моста на определенном порту. Пересылочные порты отвечают за активную передачу данных и находятся в подключенном состоянии.

Основные принципы работы

Принцип работы STP основывается на выборе одного из коммутаторов в сети в качестве корневого (root) коммутатора. Все остальные коммутаторы становятся наземными (non-root) коммутаторами. Корневой коммутатор является центром управления и принимает решения о том, какие порты на наземных коммутаторах можно использовать для прохождения трафика.

STP использует алгоритм расчета стоимости пути до корневого коммутатора. Чем меньше стоимость пути, тем более приоритетным является порт на коммутаторе. Если какой-то порт на коммутаторе становится непригодным для прохождения трафика, STP автоматически выбирает новый порт с наименьшей стоимостью для передачи данных.

Пример работы STP:

Представим себе сеть с тремя коммутаторами: A, B и C. Коммутатор A выбран в качестве корневого коммутатора. Коммутатор B и C становятся наземными коммутаторами.

В случае, если порт на коммутаторе A или B, ведущий к коммутатору C, становится непригодным, STP автоматически выбирает новый порт для прохождения трафика. При этом происходит обновление топологии сети. Это позволяет избежать петель и обеспечить непрерывную работу сети.

Преимущества и недостатки

Преимущества

STP обеспечивает высокую отказоустойчивость в сетях, устраняя возможные петли в топологии. Это помогает предотвратить передачу кадра по бесконечному пути и обеспечивает бесперебойное функционирование сети.

STP также позволяет автоматически настраивать балансировку нагрузки между портами на коммутаторах. Это позволяет распределить трафик между множеством доступных путей и предотвращает перегрузки на отдельных портах.

STP обладает встроенной самоопределенностью, что означает, что он может адаптироваться и продолжать работать даже при изменении топологии сети. Это делает его удобным и надежным решением для создания гибких и масштабируемых сетей.

Недостатки

STP может вызывать задержки в передаче кадров, поскольку он проверяет и блокирует резервные пути в сети. Это может сказаться на пропускной способности сети, особенно при большом количестве активных портов.

STP также не эффективен в использовании полосы пропускания сети, поскольку блокирует некоторые порты. Это может привести к неоптимальному использованию ресурсов сети и уменьшению пропускной способности.

STP требует настройки и обслуживания, особенно в больших сетях. Неправильные настройки или изменения в топологии могут привести к непредсказуемому поведению сети, что может быть сложно обнаружить и устранить.

Топология сети

Технология Spanning Tree Protocol (STP) на Cisco предназначена для предотвращения петель в сети, которые могут вызвать проблемы с доставкой данных. Для работы STP требуется информация о топологии сети, то есть о физических соединениях между коммутаторами.

Топология сети описывает, какие коммутаторы связаны между собой и какими кабелями или интерфейсами они соединены. Обычно топология сети изображается в виде диаграммы, где коммутаторы представлены в виде узлов, а физические соединения — в виде линий.

Коммутаторы могут быть связаны между собой различными способами, такими как прямые соединения с помощью Ethernet-кабелей или через другие устройства сети, такие как маршрутизаторы или межсетевые экраны (firewalls). Каждое физическое соединение может иметь свои характеристики, такие как пропускная способность, задержка и надежность.

Сетевая топология влияет на работу STP, поскольку эта технология определяет, какие соединения должны быть активными, а какие — заблокированы для предотвращения возникновения петель. STP создает логическое дерево, в котором один коммутатор выбран как корень, или «корневой мост». Остальные коммутаторы становятся «заблокированными мостами».

Топология сети может быть изменена в процессе работы или по мере добавления или удаления коммутаторов. STP автоматически обновляет свое дерево, чтобы отразить эти изменения, блокируя или снимая блокировку с определенных соединений.

Изучение топологии сети и понимание, как она взаимодействует с технологией STP, помогает администраторам проектировать и настраивать сети, обеспечивая надежную и эффективную передачу данных.

Процесс выбора корневого моста

Процесс выбора корневого моста начинается с того, что каждый коммутатор в сети сообщает о своей «стоимости» или «приоритете» соединения сети. Корневой мост является коммутатором с наименьшей стоимостью или наивысшим приоритетом.

Каждый коммутатор сравнивает свою стоимость со стоимостью корневого моста, которую он узнает от других коммутаторов. Если стоимость соединения меньше, коммутатор становится новым корневым мостом и сообщает о своей стоимости всем остальным коммутаторам.

Если стоимости равны, то выбирается коммутатор с наивысшим приоритетом. Если приоритеты тоже равны, выбирается коммутатор с наименьшим MAC-адресом.

Остальные коммутаторы, получив сообщение о новой стоимости или приоритете корневого моста, обновляют свою таблицу маршрутизации и пересчитывают пути для предотвращения петель.

В результате процесса выбора корневого моста и обновления таблиц маршрутизации, сеть становится более отказоустойчивой и эффективной, так как перенаправление трафика происходит по оптимальным путям, а петли в сети предотвращаются.

Расчет пути до корневого моста

Протокол Spanning Tree (STP) позволяет определить наилучший путь до корневого моста в сети. Расчет этого пути осуществляется на основе информации, передаваемой между узлами сети.

В начале работы протокола STP каждый мост выбирает себя в качестве корневого. Затем мосты отправляют специальные BPDU (Bridge Protocol Data Unit) пакеты, содержащие информацию о их себестоимости (cost) до корневого моста. Себестоимость измеряется в единицах времени, необходимых для передачи кадра через мост и зависит от скорости соединения. Мост с наименьшей себестоимостью становится корневым мостом.

Остальные мосты в сети расчитывают путь до корневого моста, учитывая себестоимость каждого моста и стоимость соединения между мостами. STP строит дерево распределения, в котором определяются блокирующие порты, то есть порты, через которые передача данных происходит в ограниченном режиме, чтобы предотвратить возможные петли.

Обнаружение и блокирование петель

Для обнаружения петель в сети применяется алгоритм Spanning Tree Protocol. Он позволяет идентифицировать все узлы в сети, участвующие в создании петель, и определить, какие порты на коммутаторах должны быть заблокированы, чтобы предотвратить циркуляцию данных.

Алгоритм STP использует специальные кадры BPDU (Bridge Protocol Data Units), которые отправляются между коммутаторами. Эти кадры передают информацию о топологии сети, включая идентификаторы мостов, стоимость пути до моста и порядок приоритета.

При обнаружении петли коммутаторы выбирают один порт, который будет использоваться для трансляции данных на определенный сегмент сети. Остальные порты, которые могут вызвать петлю, блокируются и временно отключаются от сети. Если происходит изменение топологии сети или отказ порта, алгоритм STP автоматически пересчитывает оптимальный путь и разблокирует необходимые порты.

Технология Spanning Tree Protocol (STP) обеспечивает надежность и безопасность работы сети, предотвращая возникновение петель и минимизируя риск потери данных. Она является одним из основных стандартов в области сетевых протоколов и широко используется в сетях Cisco.