STP

Spanning Tree Protocol (сокращённо STP) — сетевой протокол, работающий на втором уровне модели OSI. Основан на одноимённом алгоритме, который разработала Радья Перлман (англ. Radia Perlman).

Основной задачей STP является приведение сети Ethernet с множественными связями к древовидной топологии, исключающей циклы пакетов. Происходит это путём автоматического блокирования избыточных в данный момент связей для полной связности портов. Протокол описан в стандарте IEEE 802.1D.

Принцип действия

1. В сети выбирается один корневой мост (англ. Root Bridge).
2. Далее каждый, отличный от корневого, мост просчитывает кратчайший путь к корневому. Соответствующий порт называется корневым портом (англ. Root Port). У любого не корневого коммутатора может быть только один корневой порт.
3. После этого для каждого сегмента сети просчитывается кратчайший путь к корневому порту. Мост, через который проходит этот путь, становится назначенным для этой сети (англ. Designated Bridge). Непосредственно подключенный к сети порт моста — назначенным портом.
4. Далее на всех мостах блокируются все порты, не являющиеся корневыми и назначенными. В итоге получается древовидная структура (математический граф) с вершиной в виде корневого коммутатора.

Основные понятия

• Pathcost — стоимость линка в STP;
• Bpduguard — BPDU-фильтр;
• Rootguard — root-фильтр;
• Bridge ID = Bridge priority + MAC;
• Bridge priority = vlan xxx + 32768 (default cost);
• Cost — «стоимость портов». По умолчанию равна 32768 (2 в 15 степени);
• Hello BPDU = root ID + bridge ID + cost;
• Root port (корневой порт) — это порт, который имеет кратчайшее расстояние до любого порта корневого коммутатора.
• Designated port (назначенный порт) — это порт, который имеет кратчайшее расстояние от назначенного коммутатора до корневого коммутатора.

Скорость передачи и стоимость пути

Таблица внизу показывает стоимость интерфейса в зависимости от скорости передачи.

Скорость передачи	Стоимость (802.1D-1998)	Стоимость (802.1W-2001)
4 Мбит/с	250	5000000
10 Мбит/с	100	2000000
16 Мбит/с	62	1250000
100 Мбит/с	19	200000
1 Гбит/с	4	20000
2 Гбит/с	3	10000
10 Гбит/с	2	2000

Важные правила

1. Корневым (root) коммутатором назначается коммутатор с самым низким Bridge ID (BID)
2. Возможны случаи, когда приоритет у двух и более коммутаторов будет одинаков, тогда выбор корневого коммутатора (root) будет происходить на основании MAC-адреса коммутатора, где корневым (root) коммутатором станет коммутатор с наименьшим MAC-адресом.
3. Коммутаторы, по умолчанию, не измеряют состояние сети, а имеют заранее прописанные настройки.
4. Каждый порт имеет свою стоимость (cost) соединения, установленную либо на заводе-изготовителе (по умолчанию), либо вручную.

Алгоритм действия STP (Spanning Tree Protocol)

• После включения коммутаторов в сеть, по умолчанию каждый коммутатор считает себя корневым (root).
• Затем коммутатор начинает посылать по всем портам конфигурационные Hello BPDU пакеты раз в 2 секунды.
• Исходя из данных Hello BPDU пакетов, тот или иной коммутатор приобретает статус root, то есть корня.
• После этого все порты кроме root port и designated port блокируются.
• Происходит посылка Hello-пакетов раз в 2 секунды, с целью препятствия появлению петель в сети.

Порты

• Root Port
• Designated Port
• Non-designated Port
• Disabled Port

Эволюция и расширения

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)

Rapid STP (RSTP) характеризуется значительными усовершенствованиями STP, среди которых необходимо отметить уменьшение времени сходимости и более высокую устойчивость. Описан в стандарте IEEE 802.1w (впоследствии включен в 802.1D-2004).

Per-VLAN Spanning Tree Protocol (PVSTP)

Per-VLAN STP (PVSTP) в соответствии с названием расширяет функционал STP для использования VLAN. В рамках данного протокола в каждом VLAN работает отдельный экземпляр STP. Является проприетарным расширением Cisco, впоследствии стал с незначительными ограничениями поддерживаться другими производителями (Juniper, Extreme Networks). Изначально протокол PVST работал только через ISL-транки, потом было разработано расширение PVST+, которое позволяло работать через гораздо более распространённые 802.1Q-транки. Существуют реализации, объединяющие свойства PVST+ и RSTP, поскольку эти расширения затрагивают независимые части протокола, в результате получается (в терминологии Cisco) rapid-pvst.

PVST не совместимо с MSTP и при одновременной работе устройств Cisco с этими протоколами вызывает проблемы в сети, в частности, отключение downlink’овского порта root’ового MSTP-устройства.

Для блокировки PVST на большинстве сетевых устройств других производителей приходится создавать MAC фильтр, поскольку в их BPDU фильтрах пакеты PVST неизвестны и могут проходить через эти устройства даже при отключенных STP.

Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)

Multiple STP (MSTP) является наиболее современной стандартной реализацией STP, учитывающей все достоинства и недостатки предыдущих решений. Описана в стандарте IEEE 802.1s (впоследствии включен в 802.1Q-2003). В отличие от PVST+, в котором число экземпляров связующего дерева (spanning tree) равно числу виртуальных сетей, MSTP предполагает конфигурирование необходимого количества экземпляров вне зависимости от числа виртуальных сетей (VLAN) на коммутаторе. В один экземпляр MST могут входить несколько виртуальных сетей. Однако, все коммутаторы, участвующие в MST, должны иметь одинаково сконфигурированные группы VLAN (MST instances), что ограничивает гибкость при изменении конфигурации сети.

См. также

• IEEE 802.1
• Алгоритм связующего дерева — используется в протоколе STP для определения структуры сети.

Ссылки

• IEEE Std 802.1D™- 2004  (англ.)
• IEEE Std 802.1Q™- 2005  (англ.)
• Understanding Spanning-Tree Protocol  (англ.)
• Введение в недокументированное применение протокола Spanning Tree
• PVST+ Explained — CCIE Blog  (англ.)
• Differences between PVST and PVST+  (англ.)