Was ist Spanning Tree Protocol (STP) und wie funktioniert es?

Was ist Spanning Tree Protocol

In einer Netzwerkinfrastruktur tritt eine Schleife auf, wenn Netzwerkpakete kontinuierlich zwischen zwei oder mehr Netzwerkgeräten zirkulieren, ohne ihr beabsichtigtes Ziel zu erreichen. Diese Situation entsteht aufgrund redundanter oder mehrfacher Pfade zwischen Netzwerkgeräten, die dazu führen, dass Pakete unbegrenzt in einer Schleife übertragen werden.

Netzwerkschleifen können die Netzwerkleistung ernsthaft stören, was zu langsamen oder nicht reagierenden Netzwerken, erhöhter Überlastung und sogar Netzwerkabstürzen führen kann. Das Verhindern von Netzwerkschleifen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung eines stabilen und effizienten Netzwerks.

Netzwerkschleifen können aus verschiedenen Gründen auftreten, hier sind einige Beispiele.

• Redundante Verbindungen: Redundante Verbindungen zwischen Netzwerkgeräten wie Switches oder Routern können Netzwerkschleifen verursachen, indem sie zulassen, dass Pakete über mehrere Pfade übertragen werden, was zu Überlastung und Schleifenbildung führt.
• Falsch konfigurierte Netzwerkgeräte: Falsch konfigurierte Netzwerkgeräte können Netzwerkschleifen verursachen. Wenn beispielsweise zwei Switch-Ports fälschlicherweise so konfiguriert sind, dass sie sich im selben VLAN befinden, können Pakete zwischen ihnen weitergeleitet werden, wodurch eine Schleife entsteht.
• Probleme beim Netzwerkdesign: Schlechtes Netzwerkdesign kann zu Netzwerkschleifen beitragen. Das Hinzufügen redundanter Verbindungen zu einem Netzwerk, das nicht entsprechend für Redundanz ausgelegt ist, kann zu Netzwerkschleifen führen.
• Menschliches Versagen: Menschliches Versagen kann auch Netzwerkschleifen verursachen, indem Fehler beim Konfigurieren oder Ändern von Netzwerkgeräten oder -kabeln gemacht werden.

Lassen Sie uns untersuchen, wie Sie Netzwerkschleifen verhindern und verwandte Probleme in einem Netzwerk lösen können.

Spanning-Tree-Protokoll (STP)

Das Spanning Tree Protocol (STP) ist eine weit verbreitete und effektive Methode, um Schleifen in einem Netzwerk zu verhindern. STP hilft, Schleifen zu vermeiden, indem es die Netzwerktopologie aktiv überwacht und redundante Verbindungen selektiv blockiert, um sicherzustellen, dass es nur einen aktiven Pfad zwischen zwei beliebigen Netzwerkgeräten gibt. Auf diese Weise trägt STP dazu bei, Broadcast-Stürme und Netzwerküberlastungen zu vermeiden, die durch Schleifen entstehen können. Obwohl es andere Methoden gibt, um Netzwerkschleifen zu verhindern, ist STP eine robuste und zuverlässige Lösung, die von den meisten Netzwerkgeräten unterstützt wird und in Unternehmensnetzwerken weit verbreitet ist.

Wie funktioniert STP?

STP bestimmt, welche Schnittstellen den Datenverkehr weiterleiten sollen, und alle verbleibenden Schnittstellen werden in einen blockierenden Zustand versetzt. STP verwendet drei Kriterien, um zu bestimmen, ob eine Schnittstelle in einen Weiterleitungszustand versetzt werden sollte.

• Auswahl der Root-Bridge
• Auswahl des Root-Ports
• Auswählen des designierten Ports und des nicht designierten Ports

1. Root-Bridge-Auswahl

In einem Netzwerk mit mehreren Switches wird ein Switch als Root-Bridge gewählt, der zum zentralen Punkt des Netzwerks wird. Die Root-Bridge wird durch einen Wahlprozess basierend auf den Bridge-IDs der Switches im Netzwerk ausgewählt. Die Bridge-ID ist eine eindeutige Kennung, die jedem Switch zugewiesen wird und durch Kombinieren eines Prioritätswerts und der MAC-Adresse des Switches berechnet wird.

Wenn STP zum ersten Mal auf einem Switch aktiviert wird, geht es davon aus, dass es sich um die Root-Bridge handelt, und beginnt, BPDU-Nachrichten (Bridge Protocol Data Unit) an andere Switches zu senden. Jeder Switch, der die BPDU-Nachricht empfängt, vergleicht die Bridge-ID des sendenden Switches mit seiner eigenen Bridge-ID. Der Switch mit der niedrigsten Bridge-ID wird als Root-Bridge ausgewählt und alle anderen Switches passen ihre STP-Konfigurationen entsprechend an.

Wenn zwei Switches den gleichen Prioritätswert haben, wird der Switch mit der niedrigeren MAC-Adresse als Root-Bridge ausgewählt. Im Falle eines Gleichstands wird die Root-Bridge basierend auf der Portpriorität und der Port-ID ausgewählt. Sobald die Root-Bridge ausgewählt ist, wird die Netzwerktopologie berechnet und der STP bestimmt den besten Pfad für die Weiterleitung von Daten über das Netzwerk.

Im folgenden Beispiel wurde Switch 1 basierend auf seinem Bridge-ID-Wert als Root-Bridge ausgewählt. Obwohl alle Switches den gleichen Prioritätswert haben, hat Switch 1 die niedrigste MAC-Adresse, wenn die MAC-ID mit dem Prioritätswert kombiniert wird, und wird daher zur Root-Bridge.

Standardmäßig ist bei Switches das Spanning Tree Protocol (STP) aktiviert. Verwenden Sie den folgenden Befehl, um die Root-Bridge, den Root-Port und die Details des designierten Ports zu überprüfen.

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2. Root-Port-Auswahl

Jede Nicht-Root-Bridge bestimmt den besten Weg, um die Root-Bridge zu erreichen. Der Port, der den kürzesten Pfad zur Root-Bridge bereitstellt, wird als Root-Port für diese Nicht-Root-Bridge bestimmt. Jede Nicht-Root-Bridge hat nur einen Root-Port, das ist der Port, der den schnellsten Pfad zur Root-Bridge bereitstellt.

Der Root-Port wird ausgewählt, indem die Kosten jedes der Ports des Nicht-Root-Switches verglichen werden, um die Root-Bridge zu erreichen. Der Port mit den niedrigsten Kosten wird als Root-Port ausgewählt. Die Kosten eines Ports werden durch die Geschwindigkeit der Verbindung zwischen dem Switch und der Root-Bridge bestimmt. STP verwendet eine Metrik namens Pfadkosten, um die Kosten eines Ports zu berechnen. Die Pfadkosten basieren auf der Geschwindigkeit der Verbindung, wobei höhere Geschwindigkeiten zu niedrigeren Pfadkosten führen.

Während des Root-Port-Auswahlprozesses kann es zu einem Unentschieden kommen, wenn zwei oder mehr Ports auf einer Nicht-Root-Bridge die gleichen Kosten haben, um die Root-Bridge zu erreichen. In solchen Fällen werden die folgenden Tie-Breaking-Mechanismen verwendet.

1. Die Bridge-ID des weiterleitenden Switches wird verglichen und der Switch mit der niedrigsten Bridge-ID wird zur Root-Bridge. Der entsprechende Port wird dann als Root-Port ausgewählt. In diesem Beispiel kann Switch 3 die Root-Bridge entweder über Switch 1 oder Switch 4 erreichen.
   Da die Kosten auf beiden Schnittstellen von Switch 3 gleich sind, wird die MAC-ID des Weiterleitungs-Switch als Tiebreaker verwendet. Da Switch 4 die niedrigste MAC-ID hat, wird Port Fa0/3 als Root-Port auf Switch 3 ausgewählt.
   
2. Wenn nach dem Vergleich der Bridge-IDs immer noch ein Unentschieden besteht (was passieren kann, wenn mehrere Links mit demselben Switch verbunden sind), wird der niedrigste Wert für die Nachbarportpriorität verwendet. Standardmäßig ist der Port-Prioritätswert 128. Wenn immer noch Gleichstand besteht, wird die niedrigste Portnummer des Weiterleitungs-Switch als Root-Port ausgewählt. In diesem Beispiel hat Switch 3 mehrere Links, um die Root-Bridge zu erreichen, was zu a führt Binden Sie die Bridge-ID des Weiterleitungsswitches ein.
   
   Um dieses Unentschieden zu lösen, wird die Portpriorität als Tiebreaker verwendet. Da auch die Portpriorität für diese Ports gleich ist, wird die niedrigste Portnummer als ausschlaggebend herangezogen, was zur Auswahl des Ports Fa0/3 als Rootport führt.
   

3. Auswahl designierter und nicht designierter Ports

Die designierten Ports sind für die Weiterleitung des Datenverkehrs im Netzwerk verantwortlich, während nicht designierte Ports blockiert werden, um das Auftreten von Schleifen zu verhindern. Ähnlich wie beim Root-Port-Auswahlprozess wird der designierte Port durch die niedrigsten Pfadkosten zum Erreichen der Root-Bridge bestimmt. Es ist wichtig zu beachten, dass alle Ports auf der Root-Bridge designierte Ports sind.

Wenn die Pfadkosten gleich sind, wird die Switch-ID verglichen, um den designierten Port zu bestimmen. Besteht immer noch ein Unentschieden in der Switch-ID, wird die lokale Portnummer verwendet, um das Unentschieden aufzuheben, und der Switch mit der niedrigsten Portnummer wird als designierter Port festgelegt.

Sobald der designierte Port ausgewählt ist, werden alle anderen Ports auf dem Switch, die keine designierten Ports sind, in einen Sperrzustand versetzt. Dies verhindert Schleifen im Netzwerk und stellt sicher, dass der Datenverkehr in die richtige Richtung fließt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis des Prozesses, mit dem STP die Root-Bridge, den Root-Port und die designierten und nicht designierten Ports auswählt, unerlässlich ist, um Netzwerkschleifen zu verhindern, die die Netzwerkleistung ernsthaft beeinträchtigen können. Netzwerkschleifen können langsame oder nicht reagierende Netzwerke, erhöhte Überlastung und sogar Netzwerkabstürze verursachen. Daher ist die Implementierung von STP als weit verbreitete und effektive Methode zur Verhinderung von Schleifen in einem Netzwerk entscheidend für die Aufrechterhaltung eines stabilen und effizienten Netzwerks.