Spanning Tree Protocol (STP) คืออะไร

เมาโร เอสคาลานเต้
อาจ 30, 2023
12: 04 น
ความเห็น 3

El โปรโตคอล Spanning Treeหรือ Spanning Tree Protocol (STP) เป็นโปรโตคอลเครือข่ายที่ใช้เพื่อหลีกเลี่ยงการวนซ้ำของเครือข่ายที่สามารถสร้างได้โดย "ลิงก์ที่ซ้ำซ้อน" ในเครือข่ายคอมพิวเตอร์

ในตอนท้ายของบทความคุณจะพบกับสิ่งเล็ก ๆ น้อย ๆ ทดสอบ ที่จะช่วยให้คุณ ประเมิน ความรู้ที่ได้รับจากการอ่านครั้งนี้

ไปที่การทดสอบ

ลูปเป็นอันตรายต่อเครือข่ายและอาจนำไปสู่การเผยแพร่แพ็กเก็ตข้อมูลอย่างไม่มีที่สิ้นสุด แออัดอย่างรุนแรงและทำให้ประสิทธิภาพของเครือข่ายลดลง

STP ได้รับการพัฒนาโดย ดร.เรเดีย เพิร์ลมาน และเผยแพร่ครั้งแรกเป็นมาตรฐาน อีอีอี 802.1D 1990 en

พื้นฐานและการปฏิบัติการ

STP ทำงานโดยการสร้างโทโพโลยีแบบต้นไม้ ซึ่งเป็น “ทอดต้นไม้“ ซึ่งครอบคลุมสวิตช์ทั้งหมดในเครือข่าย แผนผังนี้ใช้เพื่อกำหนดเส้นทางที่ไม่มีการวนซ้ำในเครือข่าย

แนวคิดก็คือเพื่อให้แน่ใจว่ามีเพียงเส้นทางเดียวที่ใช้งานระหว่างสองโหนดในเครือข่าย

เมื่อต้องการทำสิ่งนี้ STP กำหนดบทบาท (รูท กำหนด และบล็อก) ไปยังพอร์ตทั้งหมดบนเครือข่าย บทบาทเหล่านี้มีดังต่อไปนี้:

พอร์ตรูท: นี่คือพอร์ตที่มีเส้นทางที่ดีที่สุด (ต้นทุนต่ำสุด) จากสวิตช์ไปยังรูท
ท่าเรือที่กำหนด: นี่คือพอร์ตที่มีเส้นทางที่ดีที่สุดจากเครือข่ายไปยังรูท
พอร์ตที่ถูกบล็อก: พอร์ตนี้ไม่ได้ใช้ในโทโพโลยีปัจจุบัน เป็นพอร์ตสำรองและอยู่ในโหมดสแตนด์บายในกรณีที่เกิดความล้มเหลวบนพอร์ตอื่น

บทบาทจะถูกกำหนดตามเกณฑ์หลายประการ ได้แก่ รหัสสะพาน, รหัสพอร์ต และ y ค่าถนน สู่สะพานราก

El “สะพานราก” เป็นสวิตช์เฉพาะที่เลือกโดย STP เพื่อใช้อ้างอิงเครือข่าย บริดจ์นี้ถูกเลือกตาม ID บริดจ์ ซึ่งรวมถึงค่าลำดับความสำคัญและที่อยู่ MAC ของสวิตช์ สวิตช์ที่มี ID บริดจ์ต่ำสุดจะกลายเป็นรูทบริดจ์

กระบวนการเอสทีพี

กระบวนการ STP สามารถสรุปได้เป็นสี่ขั้นตอน:

1. ทางเลือกของสะพานราก

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการเลือกรูทบริดจ์ (รูทบริดจ์)ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือสวิตช์ที่ทำหน้าที่เป็นจุดอ้างอิงในเครือข่าย เส้นทางทั้งหมดในโทโพโลยีเครือข่ายเริ่มต้นจากสวิตช์นี้

ทางเลือกจะขึ้นอยู่กับ รหัสบริดจ์ (BID)ซึ่งประกอบด้วยก จัดลำดับความสำคัญ (ค่าเริ่มต้นคือ 32768) และ ที่อยู่ MAC ของสวิตช์

สวิตช์ที่มี BID ต่ำสุดจะกลายเป็นรูตบริดจ์ ในกรณีที่เสมอกันในลำดับความสำคัญ ที่อยู่ MAC จะถูกใช้เพื่อทำลายเสมอ (MAC ต่ำสุดชนะ)

2. การเลือกพอร์ตรูท

หลังจากเลือกรูทบริดจ์แล้ว สวิตช์แต่ละตัว (ซึ่งไม่ใช่รูทบริดจ์) จะเลือกพอร์ตรูท ซึ่งเป็นพอร์ตที่มีต้นทุนพาธต่ำสุดไปยังรูทบริดจ์

ต้นทุนเส้นทางจะคำนวณตามความเร็วในการส่งของลิงก์ ลิงค์ที่เร็วกว่านั้นมีต้นทุนที่ต่ำกว่า

3. การเลือกพอร์ตที่กำหนด

แล้วแต่ละส่วนของเครือข่าย (โดเมนการชนกัน) เลือก ท่าเรือที่กำหนด. นี่คือพอร์ตที่มีต้นทุนเส้นทางต่ำที่สุดจากส่วนเครือข่ายไปยังรูทบริดจ์

สวิตช์ที่กำหนดพอร์ตนี้เรียกว่า สวิตช์ที่กำหนด.

4. การปิดกั้นพอร์ตอื่นๆ

พอร์ตอื่นๆ ทั้งหมดที่ไม่ใช่รูทหรือพอร์ตที่กำหนดจะถูกบล็อก พวกเขาได้รับมอบหมายก สถานะล็อค และไม่มีส่วนร่วมในการส่งต่อเฟรม ซึ่งหลีกเลี่ยงการก่อตัวของลูป

5. การเผยแพร่ข้อมูลบริดจ์ (Bridge Protocol Data Units, BPDUs)

ลอส BPDU ใช้เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างสวิตช์ BPDU จะถูกส่งเป็นระยะ (โดยค่าเริ่มต้นทุกๆ 2 วินาที) จากรูทบริดจ์และสวิตช์ที่กำหนดไปยังสวิตช์อื่นๆ ทั้งหมดในเครือข่าย

6. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเครือข่าย

หากมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในโทโพโลยีเครือข่าย (เช่น หากลิงก์ล้มเหลวหรือมีการเพิ่มสวิตช์ใหม่) STP จะคำนวณเส้นทางใหม่และสามารถเปลี่ยนสถานะของพอร์ตได้ (ถูกบล็อกเพื่อกำหนดหรือรูท หรือในทางกลับกัน) เพื่อให้แน่ใจว่า ไม่มีการวนซ้ำในโทโพโลยีใหม่

ขั้นตอนเหล่านี้ช่วยให้แน่ใจว่ามีการรักษาแผนผังการขยายแบบไม่มีลูปในเครือข่าย และอนุญาตให้เครือข่ายกู้คืนจากการเปลี่ยนแปลงโทโพโลยี

คุณควรจำไว้ว่า STP เวอร์ชันใหม่กว่า เช่น Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) สามารถดำเนินการขั้นตอนเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็วยิ่งขึ้น

เมื่อโครงสร้างโทโพโลยีแบบต้นไม้ถูกสร้างขึ้น หากเครือข่ายเกิดความล้มเหลว STP จะสามารถกำหนดค่าตัวเองใหม่และเลือกเส้นทางใหม่ได้

ประเภทของเอสทีพี

STP มีหลากหลายรูปแบบ รวมถึง Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) ซึ่งให้เวลาในการบรรจบกันเร็วขึ้น และ Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) ซึ่งอนุญาตให้มี spanning tree หลายต้นบนเครือข่ายเดียวกัน

นี่คือตัวแปรบางส่วนที่พบบ่อยที่สุด:

1. โปรโตคอล Spanning Tree อย่างรวดเร็ว (RSTP, IEEE 802.1w)

STP เวอร์ชันนี้ได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มความเร็วในการกู้คืนหลังจากการเปลี่ยนแปลงโทโพโลยีเครือข่าย

แทนที่จะรอให้ตัวจับเวลาหมดอายุ RSTP สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในเครือข่ายและกำหนดค่าโทโพโลยีแบบขยายได้รวดเร็วยิ่งขึ้น RSTP ยังแนะนำแนวคิดของ “บทบาทท่าเรือ” y “รัฐท่าเรือ” เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืน

2. โปรโตคอล Spanning Tree หลายรายการ (MSTP, IEEE 802.1s)

MSTP อนุญาตให้สวิตช์มีแผนผังที่ขยายหลายรายการ ช่วยให้มีการปรับสมดุลโหลดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและสามารถปรับให้เข้ากับการกำหนดค่าเครือข่ายประเภทต่างๆ ได้มากขึ้น

ด้วย MSTP แต่ละแผนผังขยายสามารถกำหนดให้กับชุดของ VLAN ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเครือข่ายในสภาพแวดล้อมที่มี VLAN หลายตัว

3. Per-VLAN Spanning Tree Protocol (PVST)

เป็น STP ที่แตกต่างกันของ Cisco ซึ่งใช้ spanning tree แยกกันสำหรับแต่ละ VLAN

ซึ่งให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นเนื่องจากคุณสามารถปรับการกำหนดค่า STP ให้เหมาะสมสำหรับ VLAN แต่ละรายการได้

4. Per-VLAN Spanning Tree Protocol Plus (PVST+)

นี่คือการปรับปรุง PVST ที่ปรับปรุงการทำงานร่วมกันกับ STP มาตรฐาน

5. โปรโตคอล Spanning Tree แบบต่อ VLAN อย่างรวดเร็ว (RPVST+)

โปรโตคอลนี้รวมข้อดีของ RSTP (เวลาการบรรจบกันที่เร็วขึ้น) เข้ากับประโยชน์ของ PVST+ (หนึ่ง spanning tree ต่อ VLAN)

ตัวแปร STP แต่ละตัวมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวเอง และการเลือกใช้ตัวแปรใดจะขึ้นอยู่กับการออกแบบและความต้องการเครือข่ายเฉพาะเป็นส่วนใหญ่

ปัจจัยบางประการที่ต้องพิจารณาอาจเป็นความจำเป็นในการปรับสมดุลโหลด จำนวนและขนาดของ VLAN และความจำเป็นในการกู้คืนอย่างรวดเร็วจากความล้มเหลวของเครือข่าย

ตัวแปร STP และสถานการณ์ที่เหมาะสมที่สุด

ตัวแปร STP	ลักษณะ	สถานการณ์การใช้งาน
เอสทีพี (IEEE 802.1D)	ต้นฉบับออกแบบมาเพื่อป้องกันการวนซ้ำในเครือข่าย	เหมาะสำหรับเครือข่ายขนาดเล็กและเรียบง่าย ซึ่งความเร็วของการบรรจบกันไม่สำคัญ
RSTP (IEEE 802.1w)	ปรับปรุง STP ด้วยเวลาการบรรจบกันที่เร็วขึ้น	เหมาะสำหรับเครือข่ายขนาดใหญ่ที่ความเร็วในการกู้คืนการเชื่อมต่อหลังจากการหยุดชะงักเป็นสิ่งสำคัญ
MSTP (IEEE 802.1 วินาที)	ช่วยให้สามารถขยายต้นไม้ได้หลายต้น ทำให้ง่ายต่อการโหลดบาลานซ์และปรับให้เข้ากับการกำหนดค่าเครือข่ายต่างๆ	เหมาะสมที่สุดสำหรับเครือข่ายขนาดใหญ่ที่มี VLAN หลายตัว และเมื่อจำเป็นต้องมีการปรับสมดุลโหลดอย่างมีประสิทธิภาพ
พี.วี.เอส.ที	ตัวแปรของ Cisco ที่ใช้ spanning tree แยกกันสำหรับแต่ละ VLAN	เหมาะสำหรับเครือข่ายที่ใช้ Cisco และมี VLAN หลายตัวที่ต้องการการกำหนดค่า STP ที่ปรับให้เหมาะสมเป็นรายบุคคล
พีวีเอสที+	ปรับปรุงการทำงานร่วมกันของ PVST กับ STP มาตรฐาน	เหมาะสำหรับเครือข่ายที่มีอุปกรณ์จากผู้จำหน่ายหลายรายและจำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพ VLAN แต่ละรายการ
RPVST+	รวมคุณประโยชน์ของ RSTP และ PVST+	เหมาะสำหรับเครือข่ายที่มี VLAN หลายตัวที่ต้องการทั้งการบรรจบกันอย่างรวดเร็วและการเพิ่มประสิทธิภาพ VLAN แต่ละรายการ

ตัวแปร STP และข้อดีและข้อเสียหลัก

ตัวแปร STP	ความได้เปรียบ	ข้อเสีย
เอสทีพี (IEEE 802.1D)	ป้องกันการวนซ้ำของเครือข่ายอย่างมีประสิทธิภาพ	เวลาบรรจบกันช้า อนุญาตเส้นทางที่ใช้งานอยู่เพียงเส้นทางเดียวเท่านั้น ซึ่งสามารถจำกัดแบนด์วิดท์ได้
RSTP (IEEE 802.1w)	เวลาบรรจบกันเร็วขึ้นเมื่อเทียบกับ STP รักษาข้อดีของ STP	แม้ว่าจะเร็วกว่า STP แต่ก็ยังอาจไม่เร็วพอสำหรับบางแอปพลิเคชัน
MSTP (IEEE 802.1 วินาที)	อนุญาต STP หลายอินสแตนซ์ ซึ่งสามารถปรับปรุงสมดุลโหลดและการใช้แบนด์วิธได้	ซับซ้อนมากขึ้นในการกำหนดค่าและจัดการเนื่องจากมีอินสแตนซ์ STP หลายรายการ
พี.วี.เอส.ที	อนุญาตการกำหนดค่าต่อ VLAN STP ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานได้	เฉพาะของ Cisco ดังนั้นจึงอาจเข้ากันไม่ได้กับอุปกรณ์จากผู้ผลิตรายอื่น
พีวีเอสที+	ปรับปรุงการทำงานร่วมกันกับ STP มาตรฐานเมื่อเปรียบเทียบกับ PVST	แม้ว่าจะปรับปรุงการทำงานร่วมกันเมื่อเปรียบเทียบกับ PVST แต่ปัญหาความเข้ากันได้อาจยังคงอยู่
RPVST+	รวมข้อดีของ RSTP และ PVST+ ช่วยให้เวลาการบรรจบกันเร็วขึ้นและการกำหนดค่าต่อ VLAN STP	เฉพาะของซิสโก้ การกำหนดค่าและการจัดการมีความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติเพิ่มเติม