Spanning tree-Protokoll (Verteilungs-Baum) - Dies ist ein Algorithmus, der in Computernetzwerken verwendet wird, um das Auftreten von Schleifen zu verhindern, die auftreten können, wenn redundante Kommunikationskanäle vorhanden sind. Es hilft, die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Netzwerks zu gewährleisten, indem es die Datenübertragung optimiert.
Das Protokoll basiert auf der Idee, einen Konnektivitätsbaum auf der Grundlage einer vorhandenen physischen Netzwerktopologie zu erstellen. Jedes Gerät im Netzwerk kann als Baumknoten dargestellt werden, und die Verbindungen zwischen Knoten können als Zweige dargestellt werden. Das spanning Tree-Protokoll wählt für jeden Knoten einen Zweig aus, der für die Datenübertragung verwendet werden soll, und die anderen Zweige bleiben in Reserve.
Die Hauptaufgabe des Protokolls besteht darin, alle Schleifen im Netzwerk zu finden und zu blockieren, um ein falsches Paketrouting zu vermeiden. Zu diesem Zweck verwendet das Protokoll einen Algorithmus zur Berechnung der Kosten für jede Verbindung und zur Auswahl des Wurzelgeräts, aus dem der Baum erstellt wird. Das Protokoll definiert dann den Pfad vom Stammknoten zu jedem der anderen Knoten und blockiert alle Zweige, die Schleifen erstellen.
Grundprinzipien der Arbeit
Die grundlegenden Prinzipien des STP-Protokolls sind:
- Auswählen einer Stammbrücke: Das STP-Protokoll definiert einen der Switches im Netzwerk als Stammbrücke. Dieser Switch ist der Ausgangspunkt, um den besten Weg zu anderen Switches zu bestimmen.
- Ermitteln des kostengünstigsten Pfads: jeder Switch im Netzwerk bestimmt, wie lange es dauert, direkt auf die Stammbrücke zuzugreifen. Dieser Wert wird als Pfadkosten bezeichnet. Jeder Switch wählt den besten Pfad mit den niedrigsten Kosten zur Wurzelbrücke aus.
- Port-Sperre: das STP-Protokoll definiert die Pfade, die gesperrt werden müssen, um zu vermeiden, dass eine Schleife im Netzwerk erstellt wird. Es blockiert Ports auf Switches, die zusätzliche Pfade zur Wurzelbrücke erstellen, aber nicht die besten sind.
- Erkennen von Änderungen in einer Topologie: das STP-Protokoll überwacht ständig den Portstatus und die Netzwerktopologie. Wenn Änderungen auftreten, z. B. das Hinzufügen eines neuen Switches oder ein Ausfall eines Ports, berechnet STP automatisch die besten Pfade neu und erstellt die Topologie neu.
Durch die Kombination dieser Prinzipien kann das Spanning tree-Protokoll die Netzwerktopologie effektiv verwalten und Schleifen verhindern, um einen stabilen und sicheren Betrieb des Netzwerks zu gewährleisten.
Der Prozess zur Auswahl einer Wurzelbrücke
Jeder Switch in einem Ethernet-Netzwerk hat eine eigene Bridge-ID, die als Priorität und MAC-Adresse dargestellt wird. Bei der Ersteinrichtung des Netzwerks betrachtet sich jeder Switch als Stammbrücke. Dann wird die Bridge-ID zwischen den benachbarten Switches ausgetauscht, und jeder Switch vergleicht die resultierende Bridge-ID mit seiner eigenen.
Die Auswahl einer Wurzelbrücke erfolgt anhand der folgenden Kriterien:
- Priorität der Wurzelbrücke: Der Switch mit der niedrigsten Bridge-ID-Priorität wird zur Stammbrücke. Die Priorität kann vom Administrator festgelegt werden, und der Standardwert ist 32768.
- Kleinere MAC-Adresse: Wenn zwei Switches die gleiche Priorität haben, wird ein Switch mit einer kleineren MAC-Adresse als Root-Bridge ausgewählt.
Die anderen Switches im Netzwerk wählen den Root-Port aus, der der Port ist, der sich auf dem kürzesten Weg zur Root-Brücke befindet. Wenn mehrere Ports mit der gleichen Pfadlänge vorhanden sind, wird der Port mit der kleinsten Nummer ausgewählt.
Der Prozess zur Auswahl der Stammbrücke und des Stammports ermöglicht es dem spanning tree-Protokoll, einen logischen Verbindungsbaum mit minimaler Anzahl von Schleifen und optimalen Pfaden zu erstellen.
Definieren von Portzuweisungen
Auf jedem Switch wählt das Spanning Tree-Protokoll einen Port aus, der als Root-Port ausgewählt wird. Dieser Port hat die geringsten Kosten für die Stammbrücke und wird verwendet, um Daten an die Wurzel zu übertragen. Alle anderen Ports auf dem Switch, mit Ausnahme des Ports, der den Switch mit der Stammbrücke verbindet, werden gesperrt und übertragen keine Daten.
Nachdem der Stammport auf jedem Switch definiert wurde, wählt das spanning Tree-Protokoll die Ports aus, die als Datenweiterleitungsports zugewiesen werden sollen. Dies geschieht anhand der Definition des kürzesten Weges zur Wurzelbrücke. Jeder Switch hat nur einen Datenweiterleitungsanschluss, der zum Übertragen von Daten auf dem kürzesten Weg zum Stamm verwendet wird.
Alle anderen Ports auf dem Switch werden gesperrt und die Daten werden nicht weitergeleitet. Dies ist notwendig, um Schleifen im Netzwerk zu verhindern und sicherzustellen, dass das Spanning Tree-Protokoll ordnungsgemäß funktioniert.
Protokoll-Algorithmus
Das Spanning Tree-Protokoll verwendet einen Algorithmus namens STP (Spanning Tree Protocol), um das Erstellen von Schleifen im Netzwerk zu verhindern und eine sichere und effiziente Datenübertragung zu gewährleisten.
Die Grundidee des Algorithmus besteht darin, alle unnötigen Pfade im Netzwerk zu finden und zu deaktivieren, wobei nur ein aktiver Pfad zu jedem Gerät beibehalten wird. Dadurch werden Schleifen vermieden und Probleme wie das endlose Umleiten von Paketen zwischen Geräten behoben.
Der Algorithmus des Spanning Tree-Protokolls kann wie folgt beschrieben werden:
- Jedes Gerät im Netzwerk wählt einen einzelnen Port als Root-Port aus. Der Stammport ist ein Port mit der minimalen Bridge-ID (Bridge-ID).
- Die Geräte vergleichen die Bridge-ID-Werte, um den besten Pfad zum Root-Port zu ermitteln. Jedes Gerät wählt den Port mit dem kleinsten Bridge-ID-Wert als Port mit dem kleinsten Pfad zum Root-Port aus.
- Die Geräte vergleichen die Bridge-ID-Werte, um zu bestimmen, welche Ports gesperrt werden sollen. Wenn das Gerät über zwei Ports mit den gleichen Bridge-ID-Werten verfügt, blockiert es den Port, der sich in einem längeren Pfad zum Root-Port befindet. Gesperrte Ports werden nicht für die Datenübertragung verwendet und verhindern, dass Schleifen im Netzwerk auftreten.
Nachdem Sie diese Schritte ausgeführt haben, haben alle Geräte im Netzwerk dieselbe aktive Verbindung zum Root-Port. Dies gewährleistet eine sichere Datenübertragung und eine optimale Netzwerkleistung.
Erstellen eines Bindungsbaums
Das Spanning tree-Protokoll basiert auf einem Algorithmus, mit dem Sie einen Verbindungsbaum basierend auf einer Netzwerktopologie erstellen und optimale Pfade für die Datenübertragung festlegen können.
Zu Beginn des Protokolls sendet jeder Switch Bridge Protocol Data Units (BPDU) an alle seine Ports. Die BPDU enthält Informationen über den Switch, seine Priorität, die Brückennummer und den Port, über den die BPDU gesendet wurde.
Nachdem sie eine BPDU von benachbarten Switches erhalten haben, überprüfen die Switches die Prioritäten, Brückennummern und Portnummern der empfangenen BPDU und wählen den am besten geeigneten Port für den Forwarding-Modus aus, während die anderen Ports blockiert werden. Auf diese Weise wird ein Bindungsbaum gebildet, bei dem der Stammschalter der Switch mit der niedrigsten Priorität ist.
Anschließend tauschen die Switches weiterhin die BPDU aus, damit der Status des Verbindungsbaums aktuell bleibt. Wenn im Netzwerk Änderungen auftreten, z. B. ein Ausfall eines Switches, ein Wechsel zu einer redundanten Verbindung oder das Hinzufügen eines neuen Switches, erstellt das spanning tree-Protokoll automatisch den Bindungsbaum neu, um optimale Pfade zu gewährleisten und Schleifen zu vermeiden.
Prüfen, ob Schleifen vorhanden sind
Der Prozess zur Überprüfung auf Schleifen beginnt mit der Auswahl eines der Switches im Netzwerk als Root-Switch. Der Root-Switch ist der Ausgangspunkt für das Spanning Tree-Protokoll und erstellt einen Pfadbaum zu den anderen Switches.
Als nächstes sendet das Spanning Tree-Protokoll BPDU-Befehle (Bridge Protocol Data Unit) an alle Switch-Ports. BPDU enthält Informationen über den Root-Switch, seine Priorität und den Pfad zum Root-Switch. Die Switches im Netzwerk analysieren die empfangenen BPDU und wählen den am besten geeigneten Port für die Datenübertragung zum Root-Switch aus. Die anderen Ports, die nicht ausgewählt sind, befinden sich im Sperrzustand, um das Auftreten von Schleifen zu verhindern.
Wenn Änderungen im Netzwerk auftreten, z. B. wenn ein Switch ausfällt, erstellt das Spanning Tree-Protokoll den Pfadbaum neu und wählt einen neuen Root-Switch aus. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzwerks, indem Schleifen verhindert und die Netzwerkleistung verbessert wird.
