Übersicht über das Spanning Tree Protocol
Funktionsweise von Spanning Tree-Protokollen
Ethernet-Netzwerke sind anfällig für Broadcast-Stürme, wenn Schleifen eingeführt werden. Ein Ethernet-Netzwerk muss jedoch Schleifen enthalten, da diese im Falle eines Verbindungsausfalls redundante Pfade bereitstellen. Spanning-Tree-Protokolle adressieren diese beiden Probleme, da sie Linkredundanz bieten und gleichzeitig unerwünschte Schleifen verhindern.
Geräte von Juniper Networks bieten Layer 2-Schleifenvermeidung durch das Spanning Tree Protocol (STP), das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) und das VLAN Spanning Tree Protocol (VSTP). RSTP ist das Standard-Spanning-Tree-Protokoll zur Vermeidung von Schleifen in Ethernet-Netzwerken.
In diesem Thema wird Folgendes beschrieben:
- Vorteile der Verwendung von Spanning Tree-Protokollen
- Spanning Tree-Protokolle helfen, Broadcast-Stürme zu verhindern
- Grundlegendes zur Bridge-Priorität für die Auswahl der Root-Bridge und der designierten Bridge
- Portrollen bestimmen die Teilnahme am Spanning Tree
- Portzustände bestimmen, wie ein Port einen Frame verarbeitet
- Edge-Ports stellen Verbindungen zu Geräten her, die nicht Teil eines Spanning Tree sein können
- BPDUs pflegen den Spanning-Tree
- Wenn eine Root Bridge ausfällt
- Geräte müssen MAC-Adressen nach einem Verbindungsausfall neu lernen
Vorteile der Verwendung von Spanning Tree-Protokollen
Spanning Tree-Protokolle haben die folgenden Vorteile:
Bereitstellung von Linkredundanz bei gleichzeitiger Vermeidung unerwünschter Schleifen
Verhindern von Broadcast-Stürmen
Stellt über Edge-Ports eine Verbindung zu Geräten her, die nicht STP-fähig sind, wie PCs, Server, Router oder Hubs, die nicht mit anderen Switches verbunden sind
Spanning Tree-Protokolle helfen, Broadcast-Stürme zu verhindern
Spanning-Tree-Protokolle vermeiden auf intelligente Weise Schleifen in einem Netzwerk, indem sie eine Baumtopologie (Spanning Tree) des gesamten Bridged-Netzwerks mit nur einem verfügbaren Pfad zwischen der Baumwurzel und einem Leaf erstellen. Alle anderen Pfade werden in einen Standby-Zustand gezwungen. Die Baumwurzel ist ein Schalter innerhalb des Netzwerks, der vom STA (Spanning-Tree-Algorithmus) ausgewählt wird, um den besten Pfad zwischen Brücken durch das Netzwerk und der Wurzelbrücke zu berechnen. Frames durchlaufen das Netzwerk entlang von Ästen zu ihrem Ziel – einem Leaf wie einem Endbenutzer-PC. Ein Tree Branch ist ein Netzwerksegment oder eine Verbindung zwischen Brücken. Switches, die Frames durch einen STP-Spanning Tree weiterleiten, werden als Designated Bridges bezeichnet.
Wenn Sie Junos OS für Switches der EX-Serie und QFX-Serie mit Unterstützung für den Konfigurationsstil Enhanced Layer 2 Software (ELS) verwenden, können Sie erzwingen, dass die ursprüngliche IEEE 802.1D Spanning Tree Protocol (STP)-Version anstelle von RSTP oder VSTP ausgeführt wird, indem Sie force-version festlegen.
Grundlegendes zur Bridge-Priorität für die Auswahl der Root-Bridge und der designierten Bridge
Verwenden Sie die Bridge-Priorität, um zu steuern, welche Bridge als Root-Bridge ausgewählt wird, und auch, um zu steuern, welche Bridge als Root-Bridge gewählt wird, wenn die ursprüngliche Root-Bridge ausfällt.
Die Root-Bridge für jede Spanning-Tree-Protokollinstanz wird durch die Bridge-ID bestimmt. Die Bridge-ID besteht aus einer konfigurierbaren Bridge-Priorität und der MAC-Adresse der Bridge. Die Bridge mit der niedrigsten Bridge-ID wird als Root-Bridge ausgewählt. Wenn die Bridge-Prioritäten gleich sind oder wenn die Bridge-Priorität nicht konfiguriert ist, wird die Bridge mit der niedrigsten MAC-Adresse zur Root-Bridge gewählt.
Die Bridge-Priorität kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, welche Bridge zur designierten Bridge für ein LAN-Segment wird. Wenn zwei Bridges die gleichen Pfadkosten zur Root-Bridge haben, wird die Bridge mit der niedrigsten Bridge-ID zur designierten Bridge.
Die Bridge-Priorität kann nur in Schritten von 4096 festgelegt werden.
Portrollen bestimmen die Teilnahme am Spanning Tree
Jeder Port hat sowohl eine Rolle als auch einen Status. Die Rolle eines Ports bestimmt, wie er am Spanning Tree teilnimmt. Die fünf Portrollen, die in RSTP verwendet werden, sind:
Root-Port: Der Port, der der Root-Bridge am nächsten liegt (hat die niedrigsten Pfadkosten von einer Bridge). Dies ist der einzige Port, der Frames von der Root Bridge empfängt und an diese weiterleitet.
Designated Port: Der Port, der den Datenverkehr von der Root Bridge weg zu einem Leaf weiterleitet. Eine designierte Bridge verfügt über einen designierten Port für jede Verbindungsverbindung, die sie bedient. Eine Root-Bridge leitet Frames von allen ihren Ports weiter, die als designierte Ports dienen.
Alternativer Port – Ein Port, der einen alternativen Pfad zur Root-Bridge bereitstellt, wenn der Root-Port ausfällt und in den verworfenen Zustand versetzt wird. Dieser Port ist nicht Teil des aktiven Spanning Tree, aber wenn der Root-Port ausfällt, übernimmt sofort der alternative Port.
Backup-Port: Ein Port, der einen Backup-Pfad zu den Blättern des Spanning Tree bereitstellt, wenn ein bestimmter Port ausfällt und in den verworfenen Zustand versetzt wird. Ein Backup-Port kann nur existieren, wenn zwei oder mehr Bridge-Ports mit demselben LAN verbunden sind, für das die Bridge als vorgesehene Bridge dient. Ein Backup-Port für einen bestimmten Port übernimmt sofort, wenn der Port ausfällt.
Deaktivierter Port: Der Port ist nicht Teil des aktiven Spanning Tree.
Portzustände bestimmen, wie ein Port einen Frame verarbeitet
Jeder Port hat sowohl einen Status als auch eine Rolle. Der Status eines Ports bestimmt, wie ein Frame verarbeitet wird. RSTP platziert jeden Port einer designierten Bridge in einem von drei Status:
Verwerfen: Der Port verwirft alle BPDUs. Ein Port in diesem Zustand verwirft alle empfangenen Frames und lernt keine MAC-Adressen.
Lernen: Der Port bereitet sich auf die Weiterleitung des Datenverkehrs vor, indem er empfangene Frames auf Standortinformationen untersucht, um seine MAC-Adresse-Tabelle zu erstellen.
Forwarding: Der Port filtert und leitet Frames weiter. Ein Port im Weiterleitungszustand ist Teil des aktiven Spanning Tree.
Edge-Ports stellen Verbindungen zu Geräten her, die nicht Teil eines Spanning Tree sein können
Spanning Tree definiert auch das Konzept eines Edge-Ports, d. h. eines bestimmten Ports, der Verbindungen zu Geräten herstellt, die nicht STP-fähig sind, wie PCs, Server, Router oder Hubs, die nicht mit anderen Switches verbunden sind. Da Edge-Ports direkt mit Endstationen verbunden sind, können sie keine Netzwerkschleifen erstellen und können sofort in den Weiterleitungsstatus übergehen. Sie können Edge-Ports manuell konfigurieren, und ein Switch kann Edge-Ports auch erkennen, indem er das Fehlen von Kommunikation von den Endstationen feststellt.
Die Edge-Ports selbst senden Bridge-Protokoll-Dateneinheiten (BPDUs) an den Spanning Tree. Wenn Sie die Auswirkungen auf Ihr Netzwerk genau kennen, können Sie RSTP auf der Edge-Port-Schnittstelle ändern.
BPDUs pflegen den Spanning-Tree
Spanning-Tree-Protokolle verwenden Frames, die als Bridge-Protokoll-Dateneinheiten (BPDUs) bezeichnet werden, um den Spanning Tree zu erstellen und zu verwalten. Ein BPDU-Frame ist eine Nachricht, die von einem Switch an einen anderen gesendet wird, um Informationen über sich selbst zu übermitteln, z. B. die Bridge-ID, die Kosten für den Root-Pfad und die MAC-Adressen des Ports. Der anfängliche Austausch von BPDUs zwischen Switches bestimmt die Root Bridge. Gleichzeitig werden BPDUs verwendet, um die Kosten für jede Verbindung zwischen Zweigstellengeräten zu kommunizieren, die auf der Portgeschwindigkeit oder der Benutzerkonfiguration basieren. RSTP verwendet diese Pfadkosten, um die ideale Route für Datenframes zu bestimmen, um von einem Leaf zum anderen zu gelangen, und blockiert dann alle anderen Routen. Wenn ein Edge-Port eine BPDU empfängt, wechselt er automatisch zu einem regulären RSTP-Port.
Wenn sich das Netzwerk in einem stabilen Zustand befindet, konvergiert der Spanning Tree, wenn der Spanning-Tree-Algorithmus (STA) sowohl die Root- als auch die designierte Bridge identifiziert und sich alle Ports entweder in einem Weiterleitungs- oder Blockierungszustand befinden. Um die Struktur zu verwalten, sendet die Root-Bridge weiterhin BPDUs in einem hello-Zeitintervall (standardmäßig 2 Sekunden). Diese BPDUs kommunizieren weiterhin die aktuelle Baumtopologie. Wenn ein Port eine hello-BPDU empfängt, vergleicht er die Informationen mit denen, die bereits für den empfangenden Port gespeichert sind. Eine von drei Aktionen findet statt, wenn ein Switch eine BPDU empfängt:
Wenn die BPDU-Daten mit dem vorhandenen Eintrag in der MAC-Adresse-Tabelle übereinstimmen, setzt der Port einen Timer namens max age auf Null zurück und leitet dann eine neue BPDU mit den aktuell aktiven Topologieinformationen an den nächsten Port im Spanning Tree weiter.
Wenn die Topologie in der BPDU geändert wurde, werden die Informationen in der MAC-Adresse-Tabelle aktualisiert, das maximale Alter wird wieder auf Null gesetzt und eine neue BPDU mit den aktuell aktiven Topologieinformationen wird an den nächsten Port im Spanning Tree weitergeleitet.
Wenn ein Port nicht dreimal eine hello BPDU empfängt und der Port der Root-Port ist, wird der Spanning Tree komplett überarbeitet – siehe Wenn eine Root Bridge ausfällt. Handelt es sich bei der Bridge hingegen um eine Nicht-Root-Bridge, erkennt RSTP, dass das angeschlossene Gerät keine BPDUs senden kann, und wandelt diesen Port in einen Edge-Port um.
Wenn eine Root Bridge ausfällt
Wenn eine Verbindung zum Root-Port ausfällt, wird der BPDU ein Flag hinzugefügt, das als Topology Change Notification (TCN) bezeichnet wird. Wenn diese BPDU den nächsten Port im VLAN erreicht, wird die MAC-Adresse-Tabelle geleert und die BPDU an die nächste Bridge gesendet. Nach einiger Zeit haben alle Ports im VLAN ihre MAC-Adresstabellen geleert. Anschließend konfiguriert RSTP einen neuen Root-Port.Nachdem ein Root-Port oder ein festgelegter Port ausgefallen ist, übernimmt der alternative oder Backup-Port nach einem Austausch von BPDUs, der als Proposal-Agreement-Handshake bezeichnet wird. RSTP propagiert diesen Handshake über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, d. h. dedizierte Verbindungen zwischen zwei Netzwerkknoten oder Switches, die einen Port mit einem anderen verbinden. Wenn ein lokaler Port zu einem neuen Root- oder designierten Port wird, handelt er einen schnellen Übergang mit dem empfangenden Port auf dem nächstgelegenen benachbarten Switch aus, indem er den Proposal-Agreement-Handshake verwendet, um eine schleifenfreie Topologie sicherzustellen.
Geräte müssen MAC-Adressen nach einem Verbindungsausfall neu lernen
Da ein Verbindungsfehler dazu führt, dass alle zugeordneten Ports ihre MAC-Adressentabelle leeren, ist das Netzwerk möglicherweise langsamer, wenn es die MAC-Adressen neu lernt. Es gibt eine Möglichkeit, diesen Prozess des Umlernens zu beschleunigen. Während der TCN-Ausbreitung wird die Layer-2-Weiterleitungstabelle der Switches geleert, was zu einer Flut von Datenpaketen führt. Die ARP-Funktion (Address Resolution Protocol) bewirkt, dass der Switch proaktiv ARP-Anfragen für IP-Adressen im ARP-Cache sendet (vorhanden aufgrund der Layer-3-VLAN-Schnittstelle). Wenn ARP auf STP aktiviert ist, bauen die Switches während der Antwort eine Layer-2-Weiterleitungstabelle auf und begrenzen so die spätere Überflutung. Die Aktivierung von ARP auf STP ist besonders nützlich, um übermäßige Überflutungen in großen Layer-2-Netzwerken mit RVIs zu verhindern.
Die ARP-Funktion ist unter Junos OS für Switches der EX-Serie mit Unterstützung für den Konfigurationsstil Enhanced Layer 2 Software (ELS) nicht verfügbar.
Siehe auch
Auswahl eines Spanning Tree-Protokolls
Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Spanning-Tree-Protokolls zwei grundlegende Fragen:
Welche STP-Funktionen benötige ich?
Welcher Switch oder Router wird verwendet?
- Vergleich der Spanning Tree-Funktionen
- Unterstützung und Einschränkungen für Switch und Router Spanning Tree
Vergleich der Spanning Tree-Funktionen
In Tabelle 1 werden die Unterschiede zwischen den Spanning-Tree-Protokollen STP, RSTP, MSTP und VSTP beschrieben.
des Protokolls Nachteile | ||
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RSTP |
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Trinkgeld:
Verwenden Sie die .
Trinkgeld:
Wenn RSTP gezwungen wurde, als ursprüngliche STP-Version ausgeführt zu werden, können Sie zu RSTP zurückkehren, indem Sie von erzwungenem IEEE 802.1D STP auf RSTP oder VSTP zurücksetzen. |
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STP |
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Trinkgeld:
Verwenden Sie die Anweisung |
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MSTP (MSTP) |
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Trinkgeld:
Verwenden Sie die |
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VSTP |
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Trinkgeld:
Bei Verwendung von VSTP wird empfohlen, VSTP auf allen VLANs zu aktivieren, die VSTP Bridge-Protokoll-Dateneinheiten (BPDUs) aufnehmen können.
Trinkgeld:
Wenn Sie VSTP mit dem
Trinkgeld:
Die maximale Anzahl der VLANs, die von VSTP auf einem Switch unterstützt werden, hängt davon ab, ob Sie Junos OS für Switches der EX-Serie und QFX-Serie mit Unterstützung für den Konfigurationsstil Enhanced Layer 2 Software (ELS) oder Junos OS verwenden, das ELS nicht unterstützt. Sie können Juniper Networks Switches mit VSTP und Cisco-Switches mit PVST+ und Rapid-PVST+ im selben Netzwerk verwenden. Cisco unterstützt ein proprietäres Per-VLAN Spanning Tree (PVST)-Protokoll, das für jedes VLAN eine eigene Spanning Tree-Instanz bereithält. Ein Spanning Tree pro VLAN ermöglicht ein fein abgestuftes Load Balancing, erfordert jedoch mit zunehmender Anzahl von VLANs mehr BPDU-CPU-Verarbeitung. PVST läuft auf proprietären ISL-Trunks von Cisco, die von Juniper nicht unterstützt werden. Juniper Switches sind nur mit PVST+ und Rapid-PVST+ kompatibel. |
Spanning-Tree-Protokolle generieren alle ihre eigenen BPDUs. Benutzer-Bridge-Anwendungen, die auf einem PC ausgeführt werden, können auch BPDUs generieren. Wenn diese BPDUs von STP-Anwendungen erfasst werden, die auf dem Switch ausgeführt werden, können sie STP-Fehlberechnungen auslösen, die wiederum zu Netzwerkausfällen führen können. Weitere Informationen finden Sie unter Konfigurieren des BPDU-Schutzes für Spanning Tree-Schnittstellen.
Wenn Sie eine Schnittstelle für ein beliebiges Spanning Tree-Protokoll (STP, MSTP, RSTP und VSTP) konfigurieren, sind die interface all
vlan all
Optionen , und vlan-group
nicht verfügbar, wenn Sie eine Schnittstelle mit der flexible-vlan-tagging
Familienoption konfigurieren.
Unterstützung und Einschränkungen für Switch und Router Spanning Tree
Nicht alle Switches und Router unterstützen genau die gleichen Funktionen und Konfigurationen. Die bekannten Unterschiede sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Router oder Switch |
Betrachtungen |
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Router der MX-Serie |
Nur Router der MX-Serie können den Routing-Instanztyp "virtueller Switch" verwenden, um ein LAN-Segment mit seiner Spanning-Tree-Instanz zu isolieren und seinen VLAN-ID-Bereich zu trennen. Weitere Informationen finden Sie unter Konfigurieren einer virtuellen Switch-Routing-Instanz auf Routern der MX-Serie Ablaufverfolgung und globale Ablaufverfolgung sind auf ACX- und MX-Routern mit der globalen traceoptions-Anweisung verfügbar (siehe Grundlegendes zu Spanning-Tree Protocol-Trace-Optionen). Ab Version 14.1R1 werden die folgenden Verbesserungen des STP-Protokolls auf Routern der MX-Serie unterstützt:
Auf MX- und ACX-Routern können Sie RSTP-, MSTP- und VSTP-Instanzschnittstellen als Edge-Ports konfigurieren, um eine schnellere Konvergenz als in der ursprünglichen STP-Version zu erzielen. Edge-Ports wechseln direkt in den Weiterleitungsstatus, sodass das Protokoll nicht auf den Empfang von BPDUs auf Edge-Ports warten muss. Auf einem Router der MX-Serie, der RSTP oder MSTP in einem Provider-Netzwerk ausführt, können Sie die Provider-Bridge-Teilnahme in der RSTP- oder MSTP-Instanz aktivieren – siehe Grundlegendes zur Provider-Bridge-Teilnahme an RSTP- oder MSTP-Instances. |
Trinkgeld:
Für 802.1ad-Provider-Bridge-Netzwerke (gestapelte VLANs) auf Routern der MX-Serie und M Series können einfach getaggte Zugriffsports und doppelt getaggte Trunk-Ports in einem einzigen Spanning Tree-Kontext koexistieren. In diesem Modus kann das VLAN Spanning Tree Protocol (VSTP) ungetaggte Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)-Bridge-Protokoll-Dateneinheiten (BPDUs) an Gigabit-Ethernet-Schnittstellen (ge), 10-Gigabit-Ethernet (xe) und aggregiertem Ethernet (ae) senden und empfangen. Die nicht getaggten RSTP-BPDUs interagieren mit getaggten VSTP-BPDUs, die über die doppelt getaggten Trunk-Ports gesendet werden. Double-Tagging kann für Internet-Service-Provider nützlich sein, da es ihnen ermöglicht, VLANs intern zu verwenden und gleichzeitig Datenverkehr von Clients zu mischen, die bereits VLAN-Tags haben. |
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Router der ACX-Serie |
Auf MX- und ACX-Routern können Sie RSTP-, MSTP- und VSTP-Instanzschnittstellen als Edge-Ports konfigurieren, um eine schnellere Konvergenz als in der ursprünglichen STP-Version zu erzielen. Edge-Ports wechseln direkt in den Weiterleitungsstatus, sodass das Protokoll nicht auf den Empfang von BPDUs auf Edge-Ports warten muss. Ablaufverfolgung und globale Ablaufverfolgung sind auf ACX- und MX-Routern mit der globalen traceoptions-Anweisung verfügbar (siehe Grundlegendes zu Spanning-Tree Protocol-Trace-Optionen). |
Switches der QFX-Serie |
Weitere Informationen finden Sie unter Konfigurieren von STP. Wenn Ihr Netzwerk IEEE 802.1D 1998-Bridges enthält, entfernen Sie RSTP und konfigurieren Sie STP explizit – siehe Erzwingen der Ausführung von RSTP oder VSTP als IEEE 802.1D STP (CLI-Verfahren). Wenn Sie STP explizit konfigurieren, verwenden die Produkte der QFX-Serie die IEEE 802.1D 2004-Spezifikation, Version 0 erzwingen. Diese Konfiguration führt eine Version von RSTP aus, die mit dem klassischen, grundlegenden STP kompatibel ist. Wenn Sie virtuelle LANs (VLANs) verwenden, können Sie VSTP in Ihrem Netzwerk aktivieren. Die STP-Unterstützung für die QFX-Serie umfasst:
Verwenden Sie das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) auf der Netzwerkseite der QFX-Serie, um eine schnellere Konvergenzzeit zu ermöglichen als das grundlegende Spanning Tree Protocol (STP). RSTP identifiziert bestimmte Links als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Wenn eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ausfällt, kann die alternative Verbindung in den Weiterleitungsstatus wechseln, wodurch die Konvergenz beschleunigt wird. Eine Schnittstelle kann entweder für den Root-Schutz oder den Schleifenschutz konfiguriert werden, jedoch nicht für beides. Auf Switches der EX-Serie (außer EX9200) und QFX-Serie mit Junos OS, die ELS unterstützen, kann VSTP bis zu 510 VLANs unterstützen. Wenn Ihr Switch der EX-Serie oder QFX-Serie mit einem Cisco-Gerät mit Rapid per VLAN Spanning Tree (Rapid PVST+) zusammenarbeitet, empfehlen wir, sowohl VSTP als auch RSTP auf der Schnittstelle der EX-Serie oder QFX-Serie zu aktivieren. |
Switches der EX-Serie |
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Trinkgeld:
Switches der EX-Serie können maximal 253 VLANs auf VSTP haben. Um so viele VLANs mit Spanning-Tree-Protokoll wie möglich zu haben, verwenden Sie daher sowohl VSTP als auch RSTP. RSTP wird dann auf VLANs angewendet, die den Grenzwert für VSTP überschreiten. Da RSTP standardmäßig aktiviert ist, müssen Sie VSTP nur zusätzlich aktivieren. |
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QFabric |
Obwohl es nicht erforderlich ist, STP in einem QFabric-System auszuführen, können Sie ein QFabric-System mit einem anderen Layer-2-Gerät verbinden und STP verwenden. STP-Datenverkehr kann nur über Netzwerkknotengruppen verarbeitet werden. Andere Knotengruppen, z. B. redundante Serverknotengruppen und Serverknotengruppen, verwerfen den Datenverkehr der STP-Bridge-Protokolldateneinheiten (BPDUs) und deaktivieren die Schnittstelle automatisch. Serverknotengruppen verarbeiten nur Host-zugewandte Protokolle, während Netzwerkknotengruppen alle unterstützten Protokolle verarbeiten. |
Firewalls der SRX-Serie |
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