Schleifenschutz für Spanning-Tree-Protokolle

Wie funktioniert der Loop-Schutz?

Ein schleifenfreies Netzwerk in Spanning-Tree-Topologien wird durch den Austausch eines speziellen Rahmentyps namens Bridge Protocol Data Unit (BPDU) unterstützt. Peer-STP-Anwendungen, die auf den Switch-Schnittstellen ausgeführt werden, verwenden BPDUs für die Kommunikation. Letztlich bestimmt der Austausch von BPDUs, welche Schnittstellen den Datenverkehr blockieren (und Schleifen verhindern) und welche Schnittstellen zu Root-Ports werden und Datenverkehr weiterleiten.

Eine blockierende Schnittstelle kann jedoch irrtümlich in den Weiterleitungszustand übergehen, wenn die Schnittstelle den Empfang von BPDUs von ihrem vorgesehenen Port auf dem Segment unterbricht. Ein solcher Übergangsfehler kann auftreten, wenn ein Hardwarefehler auf dem Switch oder ein Softwarekonfigurationsfehler zwischen dem Switch und seinem Nachbarn auftritt.

Wenn der Schleifenschutz aktiviert ist, erkennt die Spanning-Tree-Topologie Root-Ports und blockierte Ports und stellt sicher, dass beide weiterhin BPDUs empfangen. Wenn eine Loop-Protection-fähige Schnittstelle keine BPDUs mehr von ihrem vorgesehenen Port empfängt, reagiert sie so, wie sie auf ein Problem mit der physischen Verbindung auf dieser Schnittstelle reagieren würde. Die Schnittstelle wird nicht in einen Weiterleitungszustand versetzt, sondern in einen schleifeninkonsistenten Zustand. Die Schnittstelle wird wiederhergestellt und wechselt dann wieder in den Blockierungszustand der Spanning-Tree, sobald sie eine BPDU empfängt.

Vorteile des Schleifenschutzes bei STP-Protokollen

Standardmäßig wechselt eine Spanning-Tree-Protokollschnittstelle, die den Empfang von BPDU-Datenrahmen (Bridge-Protokoll-Dateneinheit) unterbricht, in den vorgesehenen Portzustand (Weiterleitung), wodurch eine potenzielle Schleife entsteht.

Welche Aktion verursacht eine Schleife?

Die Spanning-Tree-Protokollfamilie ist für das Brechen von Schleifen in einem Netzwerk von Bridges mit redundanten Verbindungen verantwortlich. Hardwarefehler können jedoch zu STP-Schleifen (Forwarding Loops) und zu größeren Netzwerkausfällen führen. Spanning-Tree-Protokolle unterbrechen Schleifen durch das Blockieren von Ports (Schnittstellen). Fehler treten jedoch auf, wenn ein blockierter Port fälschlicherweise in einen Weiterleitungsstatus übergeht.

Im Idealfall bleibt ein Spanning-Tree-Protokoll-Bridge-Port blockiert, solange ein übergeordneter alternativer Pfad zur Root-Bridge für ein verbundenes LAN-Segment existiert. Dieser designierte Port wird bestimmt, indem übergeordnete BPDUs von einem Peer an diesem Port empfangen werden. Wenn andere Ports keine BPDUs mehr empfangen, betrachtet das Spanning-Tree-Protokoll die Topologie als schleifenfrei. Wenn jedoch ein blockierter oder alternativer Port in einen Weiterleitungsstatus wechselt, entsteht eine Schleife.

Was kann der Loop-Schutz tun, wenn BPDUs nicht ankommen?

Um zu verhindern, dass eine Spanning-Tree-Instanzschnittstelle ein Fehlen empfangener BPDUs als "False Positive"-Bedingung für die Übernahme der zugewiesenen Portrolle interpretiert, können Sie eine der folgenden Schleifenschutzoptionen konfigurieren:

• Konfigurieren Sie den Router so, dass er eine Alarmbedingung auslöst, wenn die Spanning-Tree-Instanzschnittstelle während des Zeitüberschreitungsintervalls keine BPDUs empfangen hat.

• Konfigurieren Sie den Router so, dass er die Spanning-Tree-Instanzschnittstelle blockiert, wenn die Schnittstelle während des Timeout-Intervalls keine BPDUs empfangen hat.

Anmerkung:

Der Spanning-Tree-Instanz-Schnittstellenschleifenschutz ist für alle Spanning-Tree-Instanzen auf der Schnittstelle aktiviert, blockiert oder alarmiert jedoch nur die Instanzen, die keine BPDUs mehr empfangen.

Wann sollte ich Loop Protection verwenden?

Sie können den Spanning-Tree-Protokollschleifenschutz konfigurieren, um die Stabilität von Layer-2-Netzwerken zu verbessern. Es wird empfohlen, den Schleifenschutz nur für nicht festgelegte Schnittstellen zu konfigurieren, z. B. für die Stammschnittstelle oder alternative Schnittstellen. Andernfalls, wenn Sie den Schleifenschutz auf beiden Seiten einer bestimmten Verbindung konfigurieren, können bestimmte STP-Konfigurationsereignisse (z. B. das Festlegen der Root-Bridge-Priorität auf einen niedrigeren Wert in einer Topologie mit vielen Schleifen) dazu führen, dass beide Schnittstellen in den Blockierungsmodus wechseln.

Es wird empfohlen, den Schleifenschutz auf allen Switch-Schnittstellen zu aktivieren, die die Chance haben, zu Root- oder alternativen Ports zu werden. Der Schleifenschutz ist am effektivsten, wenn er im gesamten Switched-Netzwerk aktiviert ist. Wenn Sie den Schleifenschutz aktivieren, müssen Sie mindestens eine Aktion konfigurieren (Protokoll, Block oder beides).

Anmerkung:

Eine Schnittstelle kann entweder für den Schleifenschutz oder für den Root-Schutz konfiguriert werden, aber nicht für beides.

Was passiert, wenn ich den Loop-Schutz nicht verwende?

Standardmäßig (d. h. ohne konfigurierten Spanning-Tree-Protokollschleifenschutz) übernimmt eine Schnittstelle, die keine BPDUs mehr empfängt, die vorgesehene Portrolle und führt möglicherweise zu einer Spanning-Tree-Protokollschleife.

Grundlegendes zu Bridge-Schleifen

Betrachten Sie zum Verständnis von Bridge-Schleifen ein Szenario, in dem vier Switches (oder Bridges) mit vier verschiedenen Unterabschnitten verbunden sind (Unterabschnitt i, ii, iii und iv), wobei jeder Unterabschnitt eine Sammlung von Netzwerkknoten darstellt (siehe Abbildung 1). Der Einfachheit halber werden Unterabschnitt i und Unterabschnitt ii zu Abschnitt 1 zusammengefasst. In ähnlicher Weise werden Unterabschnitt iii und Unterabschnitt iv zu Abschnitt 2 zusammengefasst.

Wenn die Schalter eingeschaltet sind, sind die Bridge-Tabellen leer. Wenn Benutzer A in Unterabschnitt i versucht, ein einzelnes Paket Paket 1 an Benutzer D in Unterabschnitt iv zu senden, empfangen alle Switches, die sich im Abhörmodus befinden, das Paket. Die Switches nehmen einen Eintrag in ihren jeweiligen Bridging-Tabellen vor, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Tabelle 1: Switches machen Einträge in den jeweiligen Bridging-Tabellen

Brücke 1 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 2 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 3 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 4 Kennung | Port in Fahrtrichtung
Paket 1 | Abschnitt 1	Paket 1 | Abschnitt 1	Paket 1 | Abschnitt 1	Paket 1 | Abschnitt 1

Zu diesem Zeitpunkt wissen die Switches nicht, wo sich Unterabschnitt iv befindet, und das Paket wird an alle Ports außer dem Quellport weitergeleitet (was zu einer Überflutung des Pakets führt). In diesem Beispiel empfangen die Switches nach dem Senden des Pakets durch Unterabschnitt 1 das Paket auf den Ports, die Abschnitt 1 zugewandt sind. Infolgedessen beginnen sie, das Paket über die Ports weiterzuleiten, die zu Abschnitt 2 ausgerichtet sind. Welcher Switch die erste Chance erhält, das Paket zu versenden, hängt von der Netzwerkkonfiguration ab. Nehmen wir in diesem Beispiel an, dass Switch 1 das Paket zuerst überträgt. Da das Paket von Abschnitt 1 empfangen wurde, wird es in Richtung Abschnitt 2 weitergeleitet. In ähnlicher Weise empfangen die Switches 2, 3 und 4, die sich ebenfalls im Abhörmodus befinden, dasselbe Paket von Switch 1 (ursprünglich von Abschnitt 1 gesendet) an den Ports, die Abschnitt 2 zugewandt sind. Sie aktualisieren ihre Bridging-Tabellen bereitwillig mit falschen Informationen, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Tabelle 2: Überbrückungstabellen, die mit falschen Informationen aktualisiert wurden

Brücke 1 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 2 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 3 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 4 Kennung | Port in Fahrtrichtung
Paket 1 | Abschnitt 1	Paket 1 | Abschnitt 2	Paket 1 | Abschnitt 2	Paket 1 | Abschnitt 2

Auf diese Weise wird eine Schleife erstellt, wenn dasselbe Paket sowohl von Abschnitt 1 als auch von Abschnitt 2 empfangen wird. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verfügt Switch 1 über die Information, dass das Paket aus Unterabschnitt i in Abschnitt 1 stammt, während alle anderen Switches falsche Informationen darüber haben, dass dasselbe Paket aus Abschnitt 2 stammt.

Der gesamte Vorgang wird wiederholt, wenn Switch 2 die Möglichkeit erhält, das ursprüngliche Paket zu übertragen. Switch 2 empfängt das Originalpaket von Abschnitt 1 und überträgt dasselbe Paket an Abschnitt 2. Schließlich aktualisiert Switch 1, der immer noch keine Ahnung hat, wo sich Unterabschnitt iv befindet, seine Bridging-Tabelle, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Tabelle 3: Switch 1 aktualisiert seine Bridging-Tabelle

Brücke 1 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 2 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 3 Kennung | Port in Fahrtrichtung	Brücke 4 Kennung | Port in Fahrtrichtung
Paket 1 | Abschnitt 2	Paket 1 | Abschnitt 2	Paket 1 | Abschnitt 2	Paket 1 | Abschnitt 2

In komplexen Netzwerken kann dieser Prozess schnell zu riesigen Paketübertragungszyklen führen, da dasselbe Paket wiederholt gesendet wird.

Wie STP hilft, Schleifen zu eliminieren

Das Spanning Tree Protocol hilft, Schleifen in einem Netzwerk zu eliminieren, indem zusätzliche Routen deaktiviert werden, die eine Schleife bilden können. Die blockierten Routen werden automatisch aktiviert, wenn der primäre Pfad deaktiviert wird.

Um die Schritte zu verstehen, die STP zur Beseitigung von Bridge-Schleifen befolgt, betrachten Sie das folgende Beispiel, bei dem drei Switches verbunden sind, um ein einfaches Netzwerk zu bilden (siehe Abbildung 2). Um die Redundanz aufrechtzuerhalten, gibt es mehr als einen Pfad zwischen den einzelnen Geräten. Die Switches kommunizieren untereinander über Bridge-Protokoll-Dateneinheiten (BPDUs), die alle 2 Sekunden gesendet werden.

Anmerkung:

BPDUs sind Frames, die aus der Bridge-ID, dem Bridge-Port, von dem sie stammen, der Priorität des Bridge-Ports, den Kosten des Pfads usw. bestehen. BPDUs werden als Multicast-MAC-Adresse 01:80:c2:00:00:00 gesendet. Es gibt drei Arten von BPDUs: Konfigurations-BPDUs, TCN-BPDUs (Topology Change Notification) und TCA-BPDUs (Topology Change Acknowledgment).

Um Netzwerkschleifen zu eliminieren, führt STP in diesem Beispielnetzwerk die folgenden Schritte aus:

1. Wählt eine Root Bridge (oder einen Switch) aus. Um einen Root-Switch auszuwählen, verwendet STP die Bridge-ID. Die Bridge-ID ist 8 Byte lang und besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil besteht aus 2 Byte an Informationen, die als Bridge-Priorität bezeichnet werden. Die Standard-Bridge-Priorität beträgt 32.768. In diesem Beispiel wird der Standardwert für alle Switches verwendet. Die restlichen 6 Byte bestehen aus der MAC-Adresse des Switches. In diesem Beispiel wird Switch1 als Root-Switch ausgewählt, da er die niedrigste MAC-Adresse hat.

2. Wählt die Root-Ports aus. In der Regel verwenden Root-Ports die kostengünstigsten Pfade von einem Switch zum anderen. Gehen Sie in diesem Beispiel davon aus, dass für alle Pfade ähnliche Kosten anfallen. Daher ist der Root-Port für Switch 2 der Port, der Pakete über den direkten Pfad von Switch 1 (Kosten 4) empfängt, da der andere Pfad über Switch 3 (Kosten 4 + 4) führt, wie in Abbildung 3 dargestellt. Ähnlich verhält es sich bei Switch 3: Der Root-Port verwendet den direkten Pfad von Switch 1.

   Abbildung 3: Auswählen von Root-Ports

3. Wählt die angegebenen Ports aus. Bestimmte Ports sind die einzigen Ports, die Frames auf anderen Switches als dem Root-Switch empfangen und weiterleiten können. Dies sind in der Regel die Ports, die die kostengünstigsten Pfade nutzen. In Abbildung 4 sind die bezeichneten Ports markiert.

   Abbildung 4: Auswahl bestimmter Ports und Blockierung redundanter Pfade

Da es mehr als einen Pfad im Netzwerk gibt und die Root-Ports und designierten Ports identifiziert sind, kann STP den Pfad zwischen Switch 2 und Switch 3 vorübergehend blockieren und so alle Layer-2-Schleifen eliminieren.

Unterstützte Arten von Spanning-Tree-Protokollen

In einer Layer 2-Umgebung können Sie verschiedene Versionen des Spanning-Tree-Protokolls konfigurieren, um eine schleifenfreie Topologie in Layer 2-Netzwerken zu erstellen.

Ein Spanning-Tree-Protokoll ist ein Layer-2-Steuerungsprotokoll (L2CP), das den besten Pfad durch ein geswitchtes Netzwerk mit redundanten Pfaden berechnet. Ein Spanning-Tree-Protokoll verwendet BPDU-Datenrahmen (Bridge Protocol Data Unit), um Informationen mit anderen Switches auszutauschen. Ein Spanning-Tree-Protokoll nutzt die von den BPDUs bereitgestellten Informationen, um eine Root-Bridge auszuwählen, Root-Ports für jeden Switch zu identifizieren, designierte Ports für jedes physische LAN-Segment zu identifizieren und spezifische redundante Links zu beschneiden, um eine schleifenfreie Baumtopologie zu erstellen. Die resultierende Baumtopologie bietet einen einzelnen aktiven Layer-2-Datenpfad zwischen zwei beliebigen Endstationen.

Anmerkung:

In Diskussionen über Spanning-Tree-Protokolle werden die Begriffe bridge und switch oft synonym verwendet.

Die universellen Routing-Plattformen der MX-Serie 5G und Switches der EX-Serie von Juniper Networks unterstützen STP, RSTP, MSTP und VSTP.

• Das ursprüngliche Spanning Tree Protocol (STP) ist in der Spezifikation IEEE 802.1D 1998 definiert. Eine neuere Version namens Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) wurde ursprünglich im Entwurf der IEEE 802.1w-Spezifikation definiert und später in die IEEE 802.1D-2004-Spezifikation integriert. Eine aktuelle Version namens Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) wurde ursprünglich im Spezifikationsentwurf von IEEE 802.1s definiert und später in die Spezifikation IEEE 802.1Q-2003 aufgenommen. Das VLAN Spanning Tree Protocol (VSTP) ist kompatibel mit den Protokollen Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+) und Rapid-PVST+, die auf Routern und Switches von Cisco Systems unterstützt werden.

• RSTP bietet eine schnellere Rekonvergenzzeit als das ursprüngliche STP, da bestimmte Verbindungen als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen identifiziert werden und Protokoll-Handshake-Nachrichten anstelle von festen Timeouts verwendet werden. Wenn eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ausfällt, kann die alternative Verbindung in den Weiterleitungszustand wechseln, ohne auf den Ablauf von Protokolltimern zu warten.

• MSTP bietet die Möglichkeit, ein Layer 2-Netzwerk logisch in Regionen zu unterteilen. Jede Region hat eine eindeutige Kennung und kann mehrere Instanzen von Spanning Trees enthalten. Alle Regionen werden mithilfe eines Common Instance Spanning Tree (CIST) zusammengebunden, der für die Erstellung einer schleifenfreien Topologie über Regionen hinweg verantwortlich ist, während die Multiple Spanning-Tree Instance (MSTI) die Topologie innerhalb der Regionen steuert. MSTP verwendet RSTP als konvergenten Algorithmus und ist vollständig interoperabel mit früheren Versionen von STP.

• VSTP unterhält für jedes VLAN eine eigene Spanning-Tree-Instanz. Unterschiedliche VLANs können unterschiedliche Spanning-Tree-Pfade verwenden. Wenn verschiedene VLANs unterschiedliche Spanning-Tree-Pfade verwenden, steigen die verbrauchten CPU-Verarbeitungsressourcen, je mehr VLANs konfiguriert werden. VSTP-BPDU-Pakete werden mit der entsprechenden VLAN-Kennung versehen und mit dem Protokolltyp 0x010b an die MAC-Adresse (Multicast Destination Media Access Control) 01-00-0c-cc-cc-cd übertragen. VSTP-BPDUs werden von reinen IEEE 802.1q-Bridges getunnelt.

Anmerkung:

Alle virtuellen Switch-Routing-Instanzen, die auf einem Router der MX-Serie konfiguriert sind, werden mit nur einem Spanning-Tree-Prozess unterstützt. Der Prozess des Layer-2-Steuerungsprotokolls heißt l2cpd.