معرفی Spanning Tree یا STP یکی از پروتکل های سیسکو : اکثر افرادی که با انواع تجهیزات شبکه سر و کار دارند می دانند که سوئیچ ها و روترها را می توان با چندین اتصال متصل کرد تا پهنای باند بیشتری در شبکه داشته باشد و نوعی افزونگی در شبکه و ایجاد یک حلقه ایجاد کند. این پروتکل که به صورت پیش فرض فعال است کار خود را به خوبی انجام می دهد و اجازه ایجاد LOOP را نمی دهد. البته برای دستیابی به بالاترین بازده و کمترین خرابی، این پروتکل نیاز به بهینه سازی دارد. در این مقاله در مورد پروتکل STP و عملکرد آن در شبکه صحبت خواهیم کرد، پس تا پایان مقاله با ما همراه باشید.
حلقه چیست؟
Loop به معنای حلقه است و در شبکه های کامپیوتری برای ایجاد حلقه در شبکه در نظر گرفته شده است. در یک شبکه با چندین دستگاه، اگر دو یا چند دستگاه از آنها مالتی پلکس باشند، یک حلقه می تواند در شبکه رخ دهد. این حلقه می تواند باعث اختلال در شبکه شود و عملکرد و قابلیت اطمینان شبکه را تحت تاثیر قرار دهد.
به عنوان مثال، در یک حلقه شبکه، اگر بسته ای از یک دستگاه به دستگاه دیگر ارسال شود، این بسته به طور مداوم در حلقه گردش می کند و تداخل در شبکه ایجاد می شود. برای جلوگیری از ایجاد حلقه در شبکه، از پروتکل هایی مانند پروتکل درختی فراگیر (STP) استفاده می شود که در ادامه بیشتر با آنها آشنا خواهیم شد.
پروتکل STP چیست؟
در لایه 3، پروتکل های مسیریابی مسیر جدیدی را برای رسیدن به مقصد برای مسیرهای ناموفق انتخاب می کنند و می توانند از چندین مسیر مختلف برای رسیدن به یک مقصد استفاده کنند. با این حال، هنگام طراحی یک شبکه لایه 2، تنها یک مسیر قابل قبول است. علاوه بر سرعت و کارایی انتقال، مسائلی مانند تصحیح خطا و حل مسئله پویا و پویا نیز در شبکه حائز اهمیت است.
در لایه 2 می توانیم از پروتکل STP تعریف شده در IEEE 802.1d برای حل مشکلات احتمالی اتصال و استفاده از مسیرهای اضافی استفاده کنیم. کار STP را می توان خلاصه کرد زیرا نباید حلقه ای در لایه 2 وجود داشته باشد، یعنی. اچ. برای اینکه یک فریم به مقصد برسد، فقط یک لایه دو وجود دارد و اگر آن مسیر شکسته شود، مسیر دیگری انتخاب می شود تا اتصال شبکه باقی بماند.
STP یا Spanning Tree Protocol یک پروتکل شبکه است که از فناوری درخت پوشا برای جلوگیری از ایجاد حلقه در شبکه های LAN استفاده می کند. تکنیک درخت پوشا در واقع الگوریتمی است که یک درخت برای شبکه LAN ایجاد می کند تا از حلقه ها جلوگیری کند.
این پروتکل در شبکه های LAN با توپولوژی درختی استفاده می شود و با انتخاب ریشه برای درخت از تشکیل حلقه در شبکه جلوگیری می کند. بنابراین در صورت بروز خطا در یکی از اتصالات شبکه، پروتکل STP به طور خودکار سایر اتصالات را بررسی کرده و مسیر جایگزینی را برای ارتباط بین دستگاه ها انتخاب می کند.
در شبکه ای با توپولوژی درختی، اتصال دستگاه ها به سوئیچ شبکه می تواند به طور غیر مستقیم انجام شود، یعنی. اچ. دستگاه ها را می توان به چندین سوئیچ متصل کرد و ارتباط بین آنها از طریق این سوئیچ ها برقرار می شود. در این حالت، حلقه‌هایی در شبکه ایجاد می‌شوند و مشکلاتی مانند طوفان پخش و اختلال در شبکه ایجاد می‌کنند.
برای جلوگیری از حلقه ها در شبکه، پروتکل STP با استفاده از تکنیک درخت پوشا، یک درخت برای شبکه LAN ایجاد می کند. در این درخت یکی از سوئیچ ها روت نامیده می شود و تمامی اتصالات شبکه به سمت ریشه جریان می یابد. به این ترتیب درختی بدون حلقه برای شبکه ایجاد می شود و از مشکلاتی مانند طوفان پخش و تداخل در شبکه جلوگیری می شود.
اگر پروتکل STP وجود نداشت، طوفان پخش مانند شکل زیر رخ می دهد:
نکته: لازم به ذکر است که وجود Broadcast و Multicast در شبکه نیاز است و بدون وجود آنها عملکرد شبکه با اشکال مواجه خواهد شد. برخی از این تصور می کنند که پخش در شبکه زائد وجود دارد و باید به نوعی جلوی آن گرفته شود. در حالیکه عملکرد DHCP، ARP و بسیاری از اپکلیشن ها و پروتکل های شبکه به این نوع ارسال وابسته است. Broadcast Storm رمال و طبیعی خود شده و منابع شرکت را درگیر خارج می کند.
به عنوان مثال، از STP:
STP نیاز به انتخاب یک ریشه یا سوئیچ اصلی دارد که ریشه این شاخ و برگ هاست، دارد. محاسبات STP بر اساس Bridge ID و Path Cost صورت می گیرد. برای اینیم، از Bridge ID استفاده می کنیم. این مقدار هر چه کمتر باشد، احتمال ریشه شدن سوئیچ بیشتر می شود. شناسه پل و شناسه سوئیچ شود.
آیا پروتکل STP در همه شبکه ها استفاده می شود:
بله پروتکل STP (Spanning Tree Protocol) یک پروتکل استاندارد لایه دوم مدل OSI (لایه پیوند داده) است که برای جلوگیری از ایجاد حلقه در شبکه و ساخت درخت ارتباطی در شبکه استفاده می شود. این پروتکل توسط IEEE (مؤسسه مهندسین برق و الکترونیک) تعریف شده و در تمامی شبکه هایی که از پروتکل اترنت استفاده می کنند پیاده سازی می شود.
بنابراین STP در تمامی شبکه هایی که از پروتکل اترنت استفاده می کنند پیاده سازی می شود و برای جلوگیری از ایجاد حلقه در شبکه و بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان شبکه طراحی شده است. با این حال، برخی از شبکه ها ممکن است از پروتکل های دیگری برای جلوگیری از حلقه ها در شبکه استفاده کنند. با این حال، STP اغلب به عنوان یک پروتکل استاندارد در شبکه های کامپیوتری استفاده می شود.
مراحل پوشاندن درخت:
برای پیاده سازی پروتکل STP و ایجاد یک شبکه بدون حلقه، در طول هر همگرایی، i.e. اچ. در طول مدت زمانی که طول می کشد تا شبکه به حالت عادی بازگردد، مراحل زیر انجام شده است:
انتخاب روت بریج یا روت سوئیچ:
نقطه اصلی و ریشه ای که در آن محاسبات STP انجام می شود، Root Bridge است که تنها یک سوئیچ در VLAN را می توان روت کرد. روت بریج دارای کوچکترین شناسه پل یا به اختصار BID در سطح شبکه است. هر گاه سوئیچ با BID کوچکتر به شبکه متصل شود، تبدیل به روت بریج می شود و محاسبات ادامه می یابد. این امر اتصالات حلقه ای را که از پل ریشه نسبتاً دور هستند مسدود می کند و نمای شبکه از ریشه یا روت جدید تشکیل می شود و فاصله ها و هزینه ها بر اساس این نقطه محاسبه می شود. Root Bridge هر دو ثانیه یکبار به شبکه گزارش می دهد. پیکربندی BPDU حاوی اطلاعات درخت پوشا است که تنها هر دو ثانیه یک بار توسط پل ریشه در سراسر شبکه توزیع می شود.
ابتدا، روت بریج تمام سوئیچ‌های شبکه خود را می‌بیند و شروع به تبلیغ خود می‌کند تا زمانی که پیکربندی BPDU از یک BID بهتر دریافت شود (اولویت بهتر به معنای کمتر یا برای همان اولویت، آدرس Mac کوچکتر است).
برای انتخاب روت بریج، هر سوئیچ ابتدا یک بسته BPDU با شناسه پل مخصوص به خود ایجاد می کند و برای همه ارسال می کند. هنگامی که سوئیچ یک سلام برتر را دریافت می کند، ادعای خود را رد می کند و شروع به ارسال سلام برتر می کند. در نهایت تمام سوئیچ ها به جز سوئیچ با شناسه پل کوچکتر تولید را متوقف می کنند و این سوئیچ به عنوان سوئیچ ریشه انتخاب می شود و BPDU را تولید و ارسال می کند در حالی که سوئیچ های باقی مانده فقط آنها را دریافت و ارسال می کنند.
شناسه پل در استاندارد 802.ID شامل دو فیلد «اولویت» و «آدرس MAC» بود. اما این قالب تغییر کرده و فیلد «اولویت» به دو فیلد «اولویت» و «شناسه سیستم توسعه» که همان شناسه VLAN است، تقسیم شده است.
انتخاب پورت های ریشه:
هنگامی که روت بریج انتخاب می شود، سوئیچ های باقیمانده باید یک پورت را به عنوان پورت ریشه مشخص کنند یا به عبارت دیگر، سوئیچ های باقی مانده آن را از طریق یکی از پورت های خود می بینند. زیرا طی مراحل زیر انجام می شود:
سوئیچ ریشه هر 2 ثانیه یکبار Hello Timer Default را با Cost=0 ایجاد و ارسال می کند.
هر سوئیچ پس از دریافت BPDU و ایجاد تغییرات در فیلدهای زیر آن را ارسال می کند: – هزینه – شناسه پل سوئیچ فورواردینگ – اولویت پورت فورواردر – شماره پورت فورواردر
سوئیچ ها BPDU ها را به پورت هایی که در حالت مسدود هستند ارسال نمی کنند.
از بین تمامی پورت های یک سوئیچ، پورتی که BPDU را با کمترین هزینه دریافت می کند به عنوان RP انتخاب می شود.
برای محاسبه هزینه تا رسیدن سوئیچ ریشه، سوئیچ ها ارزش هزینه BPDU دریافتی را به هزینه پورتی که BPDU از طریق آن دریافت شده است اضافه می کنند و ارزش هزینه جدید سوئیچ را به روت بریج دریافت می کنند و آن را ارسال می کنند. بقیه سوئیچ ها آهسته. تدریجی
در تصویر بالا سوئیچ اول روت شده و در حال تولید و ارسال BPDU با cost=0 است. SW3 دو BPDU دریافت می کند، یکی با هزینه = 0 و دیگری با هزینه = 38. سپس سوئیچ سوم باید هزینه خود را برای ریشه محاسبه کند. برای این کار هزینه دریافتی را با هزینه پورت که Fa0/4 و Fa0/1 است تعیین کنید: ost=0+100=100، بنابراین در اینجا اتصال مستقیم به root از طریق Fa0/1 وجود دارد، زیرا هزینه اگر مقدار محاسبه شده از Fa0/4 کوچکتر باشد، این پورت به عنوان RP انتخاب می شود.
اگر چندین مسیر موازی در شبکه وجود داشته باشد، به عنوان مثال. اچ. حداقل یک سوئیچ ریشه را از دو مسیر مختلف می بیند و یکی از مسیرها باید مسدود شود. پورتی که هر سوئیچ از آن پورت روت بریج را می بیند پورت ریشه نامیده می شود. هنگامی که یک BPDU توسط یک پورت دریافت می شود، هزینه آن محاسبه می شود. این عمل به سادگی مجموع عدد هزینه در فریم BPDU به اضافه هزینه رابط است. در واقع هزینه مسیر عددی است که به رابط تعلق دارد و هزینه مسیر ریشه با افزودن هزینه مسیر به هزینه موجود در پیکربندی BPDU تعیین می شود.
بهترین عددی که روی سوئیچ به دست می آید، پورت ریشه آن سوئیچ است. یعنی سوئیچ ریشه شبکه را از طریق این پورت تشخیص می دهد. پورت ریشه باید برای همه سوئیچ ها به جز Root Bridge انتخاب شود.
پورت تعیین شده را انتخاب کنید:
اگر دو یا چند سوئیچ به یک سگمنت در شبکه LAN متصل شوند، فقط یک سوئیچ باید فریم های سگمنت را دریافت و ارسال کند. این کار برای جلوگیری از ایجاد حلقه انجام می شود. پورت مسئول اتصال سگمنت به شبکه LAN پورت تعیین شده نامیده می شود. این سوئیچ بهترین هزینه مسیر ریشه را دارد و با توجه به مساوی بودن همه موارد، انتخاب بر اساس چهار معیار اصلی که قبلا ذکر شد انجام می شود.
ما یک پورت تعیین شده برای هر بخش و یک پورت ریشه برای هر سوئیچ داریم. همه پورت های روت بریج؛ یک بندر تعیین شده هستند.
تصویر زیر انتخاب پورت تعیین شده را نشان می دهد. اگر هزینه ها یکسان باشد، از چهار معیار بالا استفاده می شود. در این مثال، کمترین BID، پورت تعیین شده برای آن بخش و پورت، پورت تعیین شده است.
پروتکل STP چگونه کار می کند:
روش کار پروتکل STP بر اساس تکنیک درخت پوشا است که با ایجاد یک درخت برای شبکه از ایجاد حلقه در شبکه جلوگیری می کند. برای پیاده سازی پروتکل STP، ابتدا یکی از سوئیچ های شبکه به عنوان ریشه درخت تعیین می شود. سپس هر سوئیچ در شبکه با استفاده از پیام های واحد داده پروتکل پل (BPDU) وضعیت خود را به سوییچ های دیگر مخابره می کند. BPDU ها حاوی اطلاعاتی مانند شناسه ریشه، فاصله تا ریشه و سایر شناسه های پارامتر هستند.
هنگام دریافت BPDU، هر سوئیچ با استفاده از الگوریتم درخت پوشا به دنبال مسیری به ریشه درخت می گردد. در این زمینه، سوئیچ هایی که به مسیری با فاصله کمتر از ریشه دسترسی دارند، سوئیچ برتر در نظر گرفته می شوند (روت سوئیچ) و سایر سوئیچ ها به طور خودکار بهترین مسیر را برای روت انتخاب می کنند. این یک درخت برای شبکه ایجاد می کند که حاوی حداکثر یک مسیر بین هر دو دستگاه است.
اگر یکی از اتصالات شبکه قطع شود، پروتکل STP به طور خودکار یک مسیر جایگزین را انتخاب می کند و از ایجاد وقفه در شبکه جلوگیری می کند. به عبارت دیگر، اگر یک اتصال در شبکه از کار بیفتد، STP از اتصالات دیگر برای برقراری ارتباط بین دستگاه ها استفاده می کند و در نتیجه شبکه در حالت عملیاتی خود باقی می ماند. در پروتکل STP معیارهایی مانند کوتاه ترین فاصله تا ریشه برای انتخاب بهترین مسیر برای ارتباط بین دستگاه ها استفاده می شود. علاوه بر این، STP از الگوریتم هایی مانند RSTP (پروتکل درخت پوشا سریع) و MSTP (پروتکل درخت پوشای چندگانه) برای سرعت بخشیدن به فرآیند انتخاب مسیر استفاده می کند.
انواع پروتکل درخت پوشا وجود دارد:
واحدهای پروتکل STP شامل چندین نوع پروتکل مختلف است که هر کدام با اهداف و ویژگی های خاص خود طراحی شده اند. برخی از انواع STP عبارتند از:
STP استاندارد: این نوع STP ساده ترین نسخه پروتکل STP است و برای جلوگیری از ایجاد حلقه در شبکه استفاده می شود. در این نوع STP به طور پیش فرض تمامی سوئیچ ها به عنوان سوئیچ های فعال (پل غیر ریشه ای) در نظر گرفته می شوند و با استفاده از پیام های BPDU اسکن درختی را انجام می دهند.
RSTP: این نوع STP سریعتر و با زمان پاسخگویی کمتر از STP استاندارد کار می کند. در RSTP، هر سوئیچ به عنوان سوئیچ فعال (پل فعال) یا سوئیچ غیرفعال (پل پشتیبان) شناخته می شود. سوئیچ های فعال در اسکن درختی شرکت می کنند و در صورت بروز خطا یا شکست در اسکن درختی، سوئیچ های غیرفعال با سوئیچ های فعال جایگزین می شوند.
MSTP: این نوع STP برای جلوگیری از حلقه ها در شبکه های دارای چندین VLAN (شبکه محلی مجازی) استفاده می شود. با MSTP، شبکه به چندین ناحیه تقسیم می شود و در هر منطقه یک درخت اختصاصی برای VLAN های مرتبط با آن منطقه ایجاد می شود. این نوع STP از الگوریتم های درخت پوشا برای تعیین کوتاه ترین فاصله مسیر بین دستگاه ها و انتخاب بهترین مسیر برای ارتباط بین دستگاه ها استفاده می کند. به طور کلی استفاده از هر نوع STP بستگی به الزامات و ویژگی های شبکه مورد نظر دارد.
حالت های مختلف پورت STP:
Disable: در پروتکل STP، این حالت پورت غیرفعال است.
Blocking: این اولین حالت پس از فعال شدن پورت است و فریمی را ارسال و دریافت نمی کند و همچنین آدرس MAC را به جدول CAM خود اضافه نمی کند و فقط می تواند BPDU را دریافت کند.
Listening: این حالت فریم ها را ارسال یا دریافت نمی کند یا آدرس MAC را به جدول CAM خود اضافه نمی کند، بلکه می تواند BPDU را ارسال و دریافت کند و در این مرحله می تواند به عنوان یک پورت ریشه یا پورت تعیین شده عمل کند. اگر نتواند به پورت اصلی یا پورت تعیین شده تبدیل شود، به حالت قبلی باز می گردد، یعنی. اچ. برای مسدود کردن.
یادگیری: حتی در این حالت فریم ارسال یا دریافت نمی کند، بلکه آدرس های مک را به جدول CAM خود اضافه می کند و قادر به ارسال و دریافت BPDU است.
Forwarding: در این حالت، پروتکل STP می تواند فریم ها را ارسال و دریافت کند، جدول CAM خود را با آدرس های MAC به روز کند و BPDU ها را ارسال و دریافت کند.
ویژگی های پروتکل STP چیست:
اجتناب از ایجاد حلقه در شبکه: پروتکل STP با ایجاد یک درخت ارتباطی در شبکه از ایجاد حلقه در شبکه جلوگیری می کند. با این روش تمامی دستگاه های موجود در شبکه به صورت یکپارچه با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و از بهره وری بالاتری بهره مند می شوند.
اسکن درختی: STP از الگوریتم های اسکن درختی برای انتخاب بهترین مسیر بین دستگاه ها برای ارتباط بین آنها استفاده می کند. این الگوریتم ها مسیر ارتباطی بهینه بین دستگاه ها را با توجه به کوتاه ترین فاصله مسیر تا ریشه درخت انتخاب می کنند.
جایگزینی مسیر: اگر یک اتصال در شبکه با مشکل مواجه شود، STP به طور خودکار یک مسیر جایگزین را از سایر اتصالات انتخاب می کند و از خرابی در شبکه جلوگیری می کند.
Root Switch Selection: STP با انتخاب یکی از سوئیچ ها به عنوان سوئیچ ریشه، درخت ارتباطی را تشکیل می دهد. سوییچ های دیگر به طور خودکار بهترین مسیر را برای روت انتخاب می کنند.
قابل تنظیم: STP قابل تنظیم است و بسته به نیاز شبکه می تواند به صورت پویا تنظیم شود. به عنوان مثال، تعداد اسکن های درختی را می توان تغییر داد یا زمان تاخیر بین اسکن درخت را می توان تنظیم کرد. به طور کلی STP با جلوگیری از ایجاد حلقه ها در شبکه ظاهر استانداردسازی شبکه را ایجاد می کند و با بهینه سازی مسیر ارتباطی بین دستگاه ها به کارایی بیشتر شبکه کمک می کند.
برای پیکربندی STP:
برای پیکربندی STP می توانید از روش های مختلفی استفاده کنید که در زیر به برخی از آنها اشاره می کنم:
CLI (واسط خط فرمان)
این یک روش بسیار رایج برای پیکربندی STP است و بسیاری از سوئیچ ها این ویژگی را دارند. CLI به شما اجازه می دهد تا با استفاده از دستورات مناسب تنظیمات STP را به صورت دستی پیکربندی کنید. به عنوان مثال، برای تنظیم ریشه STP، می توانید از دستور set spantree root اولیه استفاده کنید.
رابط کاربری گرافیکی (رابط کاربری گرافیکی)
بسیاری از سوئیچ ها دارای یک رابط کاربری گرافیکی هستند که به شما امکان می دهد STP را پیکربندی کنید. در این روش کاربر با استفاده از کلیدهای ماوس و کیبورد تنظیمات مورد نظر را انجام می دهد.
پروتکل های مدیریت شبکه:
بسیاری از پروتکل های مدیریت شبکه، از جمله پروتکل مدیریت شبکه ساده (SNMP)، Telnet و SSH، قابلیت پیکربندی STP را دارند. این پروتکل ها به شما امکان می دهند تنظیمات STP را از راه دور از هر کجا تغییر دهید.
بسته به نوع سوئیچ و نرم افزار مورد استفاده، راه های دیگری برای پیکربندی STP وجود دارد. برای پیکربندی STP، باید با مفاهیمی مانند روت سوئیچ، پورت‌های ریشه، پورت‌های مسدود شده و غیره نیز آشنا باشید. بنابراین، قبل از پیکربندی STP، بهتر است با مفاهیم اولیه آشنا شده و سپس آن را پیکربندی کنید.
