Spanning tree & rapid spanning tree protocol

1
Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol
Module Objective
¾ Sự dự phòng và vai trò quan trọng của nó trong hệ
thống mạng.
¾ Các thành phần chủ yếu của một mạng dự phòng.
¾ Trận bão quảng bá (broadcast storms) trong mạng
chuyển mạch.
¾ Nguyên nhân và hậuquả của việccơ sở dữ liệu địa
chỉ MAC không ổn định.
¾ STP trong một mạng chuyển mạch có dự phòng.
¾ Quá trình lựachọn bridge gốc.
¾ Các trạng thái Spanning-Tree.
¾ So sánh STP & RSTP (rapid spanning tree).
2
Redundancy
¾ Hệ thống mạng đáng tin cậy:
9 Trang thiếtbịđáng tin cậy
9 Tránh lỗivàđứtmạng
9 Phụchồi nhanh chóng và dễ dàng
9 Có hệ thống dự phòng
Redundant topologies
One Bridge Redundant Bridges
3
Redundant switched topologies
¾ Một hệ thống mạng có Switches dự phòng nhưng
nếu không có STP thì xảyra:
9 Trận bão quảng bá (broadcast storms)
9 Truyền nhiềulượtFrame
9 Bảng địachỉ MAC không ổn định
Broadcast Storm

ARP request
4
Multiple frame transmissions
Media access control database
instability
5
Spanning tree
¾ Lớp2 khôngcótrường TTL (Time to Live)
¾ Spanning tree :
9 Chophéptạocấutrúcluận lý không vòng lặp trong vòng lặp
vậtlýÎ TREE
9 TREE : cấu trúc logic hình sao hoặchìnhsaomở rộng
9 Thuật toán Spanning tree (chuẩn IEEE 802.1D)
9 Thuật toán SP mất nhiềuthờigianđể hộitụ (Giải pháp :
Rapid spanning tree – IEEE 802.1W)
Bridge root & STP tree
¾ Chọn đường dẫnngắnnhất
dựa trên chi phí kếtnối tích lũy
¾ Chi phí kếtnốidựatrêntốc độ
kếtnối
¾ Chọnmột nút gốcgọi là bridge
gốc (root bridge)
¾ STP xậydựng cấutrúcmạng
với1 đường dẫntớitấtcả các
nút trong mạng, tạoramột Tree
từ root bridge
¾ Những kếtnốidư thừa không
thuộc shortest path tree bị khóa
lại
6

BPDU
¾ Trao đổi thông tin
¾ Xác nhậnxemkếtnốicóhoạt động hay không, nếu
lỗikếtnối hay mộtthiếtbị nào đóhư hỏng thì STP
sẽđược tính toán lại
BPDU
¾ Thông tin trong các gói BPDU :
9Lựachọn Root bridge
9Tính toán kếtnốingắnnhấttới Root bridge
9Lựachọnswitch :
• Switch gầnnhấtvớiRoot trongtoànbộ
segment của Lan
• Thựchiện các giao tiếptừ Lan tới Root bridge
9Lựachọn Root port cho các Switch không
phải là Root switch :
• Root port là cổng giao tiếpvớikếtnốitốtnhất
tới Root switch
9Chọn các port đượcchỉđịnh (forward) và các
port không đượcchỉđịnh (blocked)
7
Two Key Concepts: BID and Path Cost
Bridge ID Path Cost Topology Spanning tree
Bridge ID (BID)
¾ Bao gồm 2 thành phần:
9 2 bytes Bridge priority
9 6 bytes MAC address
¾ Bridge priority : định dạng số thập phân
¾ MAC address : định dạng số hexa
¾ BridgeID thấpnhất là root
8

Path cost
¾ Lý thuyết, 802.1d định nghĩa “cost” là đạilượng đo
bằng thương 100/bandwidth (Mbps) củamộtkếtnối
¾ Thựctế thì các switch có tốc độ cao hơn, cỡ
10Gbps
¾ IEEE modified the most to use a non-linear scale
with the new values of:
• 4 Mbps 250 (cost)
• 10 Mbps 100 (cost)
• 16 Mbps 62 (cost)
• 45 Mbps 39 (cost)
• 100 Mbps 19 (cost)
• 155 Mbps 14 (cost)
• 622 Mbps 6 (cost)
• 1 Gbps 4 (cost)
• 10 Gbps 2 (cost)
Four-Step STP Decision Sequence
¾ 4 bước:
9 Xác định BID có giá trị nhỏ nhất
9 Xác định Path cost nhỏ nhấttới root bridge
9 Xác định BID nhỏ nhất đượcgửi đitừđâu
9 Xác định Port ID nhỏ nhất
¾ Khái niệm khóa BPDU :
9 Bridge sao chép giữ lạimộtgiátrị BID đượcgửi đi trong gói
BPDU đầutiênmànóthấy trên các port
9 Khi có các gói BPDU khác tới, nó sẽ kiểmtralại theo bốn
bướcnhư trên, để xác nhậnlạicógiátrị BID nào tốthơnnữa
không, nếucónósẽ lấy và thay thế giá trịđược save trước
đó
9 Chỉ switch nào có giá trị BID thấpnhất đượcchọn

9 Bridge gửi đicấuhìnhcủacácBPDU chotới khi có nhiều
BPDU tốthơn đượ
cnhận
9
Three Steps of Initial STP
Convergence
¾ Switches go through three steps for their
initial convergence:
• STP Convergence
• Step 1 Elect one Root Bridge
• Step 2 Elect Root Ports
• Step 3 Elect Designated Ports
¾ All STP decisions are based on a the
following predetermined sequence:
• Four-Step decision Sequence
• Step 1 - Lowest BID
• Step 2 - Lowest Path Cost to Root Bridge
• Step 3 - Lowest Sender BID
• Step 4 - Lowest Port ID
Step 1 Elect one Root Bridge
¾ Khi các switch trong mạng đượcbật Î Các bridge
trao đổi các gói BPDU mộtcáchlộnxộn
¾ Ngay sau đó, chúng thựchiện quá trình 4 bước để
lựachọn Root bridge (có BID thấpnhất) :
9 Ví dụ : Cat-A có địachỉ MAC thấpnhất nên nó dành “chiến
thắng” trong việctrở thành Root
9 Cả 3 switch trên có cùng mức độ ưutiên(priority), mặc định
là 32,768
10
Step 2 Elect Root Ports

¾ Các Root port của bridge là các port gầnnhấttới
các Root bridge Î sử dụng Root path cost
¾ Những switch không phải Root bridge sẽ lựachọn
cho mình một Root port
Step 3 Elect Designated Ports
¾ Port đượcchỉđịnh : Port bridge đơngửivànhận
đượclưulượng từ segment trong Lan và Root
bridge
¾ Tấtcả các segment trong mạng đềucómột port
đượcchỉđịnh, port này xác định dựa trên tính tích
lũy Root Path Cost tới Root Bridge
¾ Switch mà chứamộtport chỉđịnh được xem như là
một bridge chỉđịnh trong một segment
¾ 4 bướcthựchiệnquátrình:
• Lowest Root BID
• Lowest Path Cost to Root Bridge
• Lowest Sender BID
• Lowest Port ID
11
Stages of spanning-tree port states
¾Tồntại 4 trạng thái cổng (do) :
9BPDU trễ lan truyề
9Mộtphần nào đócủacấutrúcmạng bị thay
đổi, cả hệ thống không thể nhậnbiết ngay
được
9Switch đổitrạng thái củamộtport từ trạng
thái chờ sang trạng thái họat động ngay lập
tứccóthể xảyravònglặp
¾ Switch sử dụng STP, mỗi port sẽởmột trong năm
trạng thái

Stages of spanning-tree port states
12
STP Port States
¾ Ở trạng thái chờ, các port chỉ có thể nhận các gói
BPDU :
9 Các gói dữ liệukhácbị hủybỏ và không có hề có học địa
chỉởtrạng thái này
9 Mấtkhoảng cỡ 20s để chuyểntừ trạng thái này sang
trạng thái khác
¾ Khi port chuyển sang trạng thái nghe :
9 Switch sẽ xác nhận xem port này có kếtnốivề root với
chi phí thấpnhất hay không, có tạovònglặp không ???
9 Nếukếtnốinàykhôngthỏa mãn chi phí thấpnhấttới
root thì port sẽ trở về trạng thái khóa
9 Trạng thái nghe gọi là quá trình chuyểntrạng thái, mất
khoảng 15s. Ở trạng thái này port vẫnchưachuyểndữ
liệucũng như học địachỉ MAC, vẫnchỉ là xử lí các gói
BPDU
STP Port States
¾ Sau đó port chuyểntừ trạng thái nghe sang
trạng thái học:
9Ở trạng thái này, port vẫnchưa có chuyểndữ
liệu đinhưng đãbắt đầuhọc địachỉ MAC từ dữ
liệunhânđược
9Quá trình này mất 15s và vẫntiếptụcxử lí các
gói BPDU
¾ Khi port chuyểntừ trạng thái học sang trạng
thái truyềndữ liệu:
9Ở trạng thái này, port bắt đầutruyềndữ liệu
của user, vẫnhọc địachỉ MAC và xử lí các gói

BPDU
13
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)
¾ Giao thức Rapid spanning – tree theo chuẩn IEEE
802.1w :
9 Làm rõ hơnvaitròvàtrạng thái củaport
9 Định nghĩacácloạikếtnốicóthể chuyển nhanh sang
trạng thái truyềndữ liệu
9 Cho phép các switch trong mạng đãhộitụ tự gửi các gói
BPDU củanóchữ không phảichuyểntiếp qua BPDU của
root bridge
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)
¾ Trạng thái khóa (blocking) được đổi tên thành
trạng thái loạibỏ (discarding). Port loạibỏ
đóng vai trò dự phòng
¾ Các loạikếtnối:
9Kếtnối point-to-point
9Kếtnốibiêncuối (edge-type)
9Kếtnốichiasẻ
¾ Point-to-point và edge-type là 2 loạikếtnốicó
thể chuyểntrạng thái ngay lậptức
¾ Thờigianhộitụ không lâu hơn 15s
¾ Rapid spanning tree (IEEE 802.1w) thựcsự
thay thế spanning tree (IEEE 802.1d)
14
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)