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

Was ist Spanning Tree Protocol?

In einer Netzwerkinfrastruktur entsteht eine Schleife, 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, wodurch Pakete auf unbestimmte Zeit in einer Schleife übertragen werden.

Netzwerkschleifen können die Netzwerkleistung erheblich beeinträchtigen und zu langsamen oder nicht reagierenden Netzwerken, erhöhter Überlastung und sogar Netzwerkabstürzen führen. Die Vermeidung von Netzwerkschleifen ist für die Aufrechterhaltung eines stabilen und effizienten Netzwerks von entscheidender Bedeutung.

Netzwerkschleifen können aus verschiedenen Gründen auftreten, hier einige Beispiele.

• Redundante Verbindungen: Redundante Verbindungen zwischen Netzwerkgeräten wie Switches oder Routern können Netzwerkschleifen verursachen, da Pakete über mehrere Pfade wandern können, 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 führen. Das Hinzufügen redundanter Verbindungen zu einem Netzwerk, das nicht entsprechend auf Redundanz ausgelegt ist, kann zu Netzwerkschleifen führen.
• Menschliches Versagen: Auch menschliches Versagen kann durch Fehler bei der Konfiguration oder Änderung von Netzwerkgeräten oder -kabeln zu Netzwerkschleifen führen.

Lassen Sie uns untersuchen, wie Sie Netzwerkschleifen verhindern und damit verbundene Probleme in einem Netzwerk überwinden können.

Spanning Tree Protocol (STP)

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

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 Weiterleitungsstatus versetzt werden soll.

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

1. Auswahl der Root-Bridge.

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 Kombination eines Prioritätswerts und der MAC-Adresse des Switch 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 mit der Übertragung von BPDU-Nachrichten (Bridge Protocol Data Unit) an andere Switches. 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. Bei Gleichstand wird die Root-Bridge anhand der Port-Priorität und der Port-ID ausgewählt. Sobald die Root-Bridge ausgewählt wurde, wird die Netzwerktopologie berechnet und der STP ermittelt 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; daher wird es zur Root-Bridge.

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

Spanning-Tree anzeigen

2. Auswahl des Root-Ports.

Jede Nicht-Root-Bridge bestimmt den effizientesten Pfad, um die Root-Bridge zu erreichen. Der Port, der den kürzesten Pfad bereitstellt, wird zum designierten Root-Port für diese Nicht-Root-Bridge. Jede Nicht-Root-Bridge verfügt nur über einen Root-Port, der den schnellsten Weg zur Root-Bridge bietet.

Der Root-Port wird ausgewählt, indem die Kosten der Ports jedes 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 Path Cost, 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 Gleichstand 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-Break-Mechanismen verwendet.

1. Die Bridge-ID des Weiterleitungs-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-Switches 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 Gleichstand besteht (was passieren kann, wenn mehrere Links mit demselben Switch verbunden sind), wird der niedrigste Nachbar-Port-Prioritätswert verwendet. Standardmäßig ist der Port-Prioritätswert 128. Wenn immer noch ein Gleichstand besteht, wählt der Weiterleitungsschalter den Port mit der niedrigsten Nummer als Root-Port aus. In diesem Beispiel verfügt Switch 3 über mehrere Verbindungen, um die Root-Bridge zu erreichen, was zu einem Gleichstand in der Bridge-ID des Weiterleitungs-Switches führt.
   Um diesen Gleichstand zu lösen, wird die Portpriorität als Tiebreaker verwendet. Da auch die Portpriorität für diese Ports gleich ist, wird die niedrigste Portnummer als entscheidender Faktor herangezogen, was zur Auswahl von Port Fa0/3 als Root-Port 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 ausgewiesene Ports sind.

Bei einem Gleichstand bei den Pfadkosten wird die Switch-ID verglichen, um den designierten Port zu bestimmen. Wenn immer noch ein Gleichstand in der Switch-ID besteht, wird die lokale Portnummer verwendet, um den Gleichstand aufzuheben, und der Switch mit der niedrigsten Portnummer wird als designierter Port festgelegt.

Sobald der designierte Port ausgewählt ist, werden alle anderen Ports am Switch, die keine designierten Ports sind, in einen blockierenden Zustand 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 sowie die zugewiesenen und nicht zugewiesenen Ports auswählt, von entscheidender Bedeutung ist, um Netzwerkschleifen zu verhindern, die die Netzwerkleistung erheblich beeinträchtigen können. Netzwerkschleifen können zu langsamen oder nicht reagierenden Netzwerken, erhöhter Überlastung und sogar Netzwerkabstürzen führen. Daher ist die Implementierung von STP – als weit verbreitete und wirksame Methode zur Vermeidung von Schleifen in einem Netzwerk – von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung eines stabilen und effizienten Netzwerks.