Spanning-Tree protocol (STP)

В общем

Ethernet легко подвержен бродкаст-штормам, когда в сети возникают петли.

Но для обеспечения резервирования, требуются альтернативные линки и это приводит топологию сети к петлям.

STP как раз дает возможность использовать резервирование, но избежать петель.

Juniper поддерживает данные вариации STP: STP, RSTP(используется по дефолту), MSTP, VSTP.

Итого зачем вообще нужен STP:

- Предотвращает бродкаст штормы

- Обеспечивает резервирование дополнительными линками, без петель

- Позволяет подключать к сети устройства, не поддерживающие STP (используя edge ports)

Корень дерева (root tree | root bridge) - это свитч, который выбирается алгоритмом STP. В дальнейшем он используется для рассчета наилучшего пути от bridge до root bridge.

Фреймы ходят по сети к получателю - leaf (ПК или любой другой не транзитный хост) - вдоль ветвей (branches).

Tree branch (ветвь) - сегмент сети или линк между бриджами.

Designated bridges - свитчи, которые передают фреймы по STP-дереву.

STP создает единственный возможный путь между root и leaf. Альтернативные пути переводятся в standby режим.

Роли портов STP

Root port - ближайший к root bridge. Это единственный порт, который получает фреймы от root bridge и пересылает их на него.
Designated port - порт, передающий трафик от root bridge к leaf. Designated bridge имеет один designated порт для каждого LAN. Root bridge передает фреймы во все designated порты.
Alternate port - альтернатиный порт к root bridge. Он не является частью активного spanning tree, но когда root port накрывается (если падает линк или переходит в состояние отбрасывания пакетов), то alternate port сразу принимает на себя его роль.
Backup port - резервный для desidnated порта. Работает аналогично alternate port.
Disabled port - порт, не принимает участия в активном spanning tree.
Edge port - порт в сторону хоста, не поддерживаюшего STP (ПК, сервер, роутеры, тупиковые хабы). Т.к. предполагается, что хосты не способны образовать петлю => edge port сразу переходит в состояние передачи фреймов. Можно назначить edge порт, а также STP может сам распознать edge порт (через отсутствие связи с конечными станциями).

Состояния портов (RSTP)

Discarding - отбрасывает все BPDU, все data-фреймы и не изучает mac-адреса.
Learning - изучает маки, и строит таблицу коммутации.
Forwarding - порт пересылает и фильтрует фреймы > становится частью активного spanning tree.

BPDU (bridge protocol data units)

BPDU фреймы - это сообщения, которыми обмениваются свитчи. В них содержится информация: bridge ID, root path costs, и port MAC addresses. Начальный обмен BPDU между коммутаторами определяет root bridge. Также BPDU распространяют информацию о стоимости маршрутов (cost) между ветками (tree branches) - основанные либо на пропускной способности линков, либо заданные вручную. RTSP строит топологию исходя из cost.

Когда отработал STA (spanning tree algorithm), всем портам назначены роли и состояния, идентифицированы root и designated bridges, требуется механизм для поддержания данной топологии в актуальном состоянии. Используем BPDU.

Root bridge отправляет BPDU каждые 2 сек (дефолтный hello time interval RSTP). Когда на порт приходит BPDU, он сравнивает данные, с полученными ранее, и на основании сравнения:

- Если данные BPDU совпадают с существующей записью в таблице MAC-адресов, порт сбрасывает таймер max age на 0 и пересылает новый BPDU с текущей активной информацией о топологии на следующий порт в spanning tree.

- Если топология в BPDU была изменена, обновляется таблица MAC-адресов, max age устанавливается в 0, и новый BPDU пересылается с текущей активной информацией о топологии на следующий порт в spanning tree.

- Когда порт не получает BPDU в течение 3 * hello (3*2 = 6 сек), он реагирует одним из двух способов.

-Если bridge является root port: происходит полное перестроение spanning tree.

-Если bridge является любым некорневым мостом: RSTP обнаруживает, что подключенный хост не умеет отправлять BPDU, и назначает этот порт в edge port.

STP генерирует свои BPDUs. Сетевуха на хосте (ПК, сервер, ...) тоже генерирует свои BPDUs. Эти BPDU хостов могут быть обработаны STP свитча и привести к проблемам на сети. Поэтому лучше включать BPDU Protection на edge ports.

Root Bridge Fails

Когда link на root port падает, в BPDU добавляется флаг, topology change notification (TCN).

Когда этот BPDU доходит до следующего порта в VLAN, таблица MAC-адресов сбрасывается, и BPDU едет на следующий bridge. В итоге, все порты во VLAN обнулили свои таблицы MAC. После этого RSTP назначает новый root port.

Если root port или designated port падают - alternate или backup port берут на себя их роль после обмена BDPU (proposal-agreement handshake).

Если локальный порт становится root или designated, то он согласовывает быстрое изменение тем же proposal-agreement handshake с ближайшим свитчем.

Так как падение линка приводит к очистке маков на всей сети - это немного затормаживает работу сети и образует неплохой такой флуд для переобучения маков.

Включенный ARP (address resolution protocol) заставляет коммутатор активно отправлять ARP-запросы на IP-адреса в кэше ARP.

Включение ARP в STP наиболее полезно для избегания чрезмерного флуда в L2.

Модификации STP

STP

+:

Работает с 802.1D 1998 bridges
STP обратносовместим с RSTP, можно включать STP на 802.1D 1998 bridges

-:

STP и RSTP ограничены одним инстансом для одного интерфейса. Используется set rstp interface для включения интерфейса в RSTP инстанс.
STP медленее RSTP
Не разделяет вланы. Создает spanning tree без учетов вланов и возможности постоения топологии для каждого влана. (в MSTP решена эта проблема)
Не обеспечивает быструю сходимость. STP использует тайминги, RSTP использует handshake механизм.
В IEEE 802.1D STP не используются edge ports.

RSTP (Rapid STP)

+:

Быстрее в сходимости при факапах
Voice и video лучше использовать с rstp.
RSTP обратносовместим с STP, причем на свитче не обязательно использовать именно RSTP.
Поддерживается больше портов, чем в MSTP или VSTP
Поддерживает edge ports на MX и ACX роутерах

-:

STP и RSTP ограничены одним инстансом для одного интерфейса. Используется set rstp interface для включения интерфейса в RSTP инстанс.
Не работает с 802.1D 1998 bridges
Не разделяет вланы. Создает spanning tree без учетов вланов и возможности постоения топологии для каждого влана. (в MSTP решена эта проблема)

MSTP (Multiple STP)

+:

Работает с несколькими вланами
Поддерживает несколько инстансов для одного физ интерфейса
Поддерживает edge ports на MX и ACX роутерах

-:

Не со всеми протоколами совместим
Поддерживает ограниченное кол-во портов. MSTP регион поддерживает до 64 MSTIs (а в каждом инстансе 1-4094 вланов)
MSTP больше нагружает CPU.
Не так быстр как RSTP

VSTP (VLAN STP)

+:

Работает в разными вланами. Включаем VSTP внутри вланов, для которых требуется работа STP.
VSTP и RSTP могут быть включены на свитче одновременно.
Можно добавить интерфейс как в global level, так и в VLAN level. Если добавить global, то VSTP будет включен во всех вланах этого интерфейса. Если будет добавлен global и VLAN level, то конфиг VLAN level будет приоритетнее и перезапишеи global level.
Поддерживает edge ports на MX и ACX роутерах

-:

1 инстанс на один влан
Использует ограниченное кол-во портов
VSTP может работать максимум с 509 вланами. Однако, лучше использовать не более 190.
Для одного влана нельзя включить и VSTP и RSTP.
Если на свитче одновременно включаем VSTP + RSTP и на свитче более 253 вланов, то для 1-253 влана будет работаеть VSTP, для остальных RSTP.

TIPS:

- Рекомендуется включать VSTP во всех вланах.

- При использовании: set protocol vstp vlan all, vlan-id 1 туда не включен, если он нужен, то добавляем отдельно: set protocol vstp vlan 1

- Максимальное кол-во вланов, используемых в VSTP - опредлеляется типов свитча и его OS.

- Можно использовать VSTP вместе с cisco-свитчами PVST+ и Rapid-PVST+