Spanning Tree Protocol

[koorosh]

فراوانی و آشفتگی انتشار

در شبکه های با توپولوژی ستاره (Star) و يا ترکيب Bus و وStar يکی از عناصر اصلی شبکه که می تواند باعث از کار افتادن شبکه گردد ، هاب و يا سوئيچ است . فرض کنيد شبکه ای با ساختار زير را داشته باشيم :

در مثال فوق ، در صورتيکه سوئيچ A و يا C با مشکل مواجه گردند، تمام گره های متصل به هر يک از سوئيچ های فوق نيز تحت تاثير اشکال فوق قرار خواهند گرفت . گره های متصل به سوئيچ ديگر (B) کماکن قادر به ارائه خدمات خود خواهد بود. در صورتيکه سوئيچ C با اشکال مواجه گردد ، تمام شبکه از کار خواهد افتاد . در صورت اضافه کردن سگمنت ديگر برای ارتباط سوئيچ A و C چه اتفاقی خواهد افتاد .

در حالت فوق ، در صورتيکه يکی از سوئيچ ها با اشکال مواجه گردد ، شبکه کماکن قادر به ارائه خدمات خود خواهد بود. با افزدون سگمنت فوق ، شبکه از حالت وابستگی به يک نقطه خارج و يک نوع " فراوانی " ايجاد شده است .


با حل مشکل وابستگی عملياتی شبکه به يک نقطه ، مشکل ديگری بوجود می آيد. همانگونه که قبلا" اشاره گرديد ، سوئيچ ها بصورت هوشمندانه ازآدرس و محل هر يک از گره های موجود در شبکه آگاه می گردند. با توجه به شرايط ايجاد شده ، تمام سوئيج ها در يک Loop به يکديگر متصل می گردند. در چنين حالتی يک بسته اطلاعاتی ارسال شده توسط يک گره ، ممکن است توسط سوئيچی از سگمنت ديگر آمده باشد.

مثلا" فرض نمائيد که گره B به سوئيچ A متصل و قصد ارسال اطلاعات برای گره B موجود در سگمنت B را داشته باشد . سوئيچ A شناختی نسبت به گره A ندارد ، بنابراين بسته اطلاعاتی را برای ساير گره های موجود در سگمنت های ديگر ارسال خواهد کرد. بسته اطلاعاتی مورد نظر از طريق سگمنت های A و يا C برای ساير سوئيچ ها (B و يا C) حرکت خواهد کرد. سوئيچ B ، گره B را به جدول Lookup خود اضافه می نمايد. ( برای سگمنت A) . سوئيچ C آدرس گره B را بمنظور پشتيبانی سگمنت C در جدول Lookup خود ذخيره خواهد کرد. با توجه به اينکه هيچکدام از سوئيچ ها تاکنون شناختی نسبت به آدرس گره A بدست نياورده اند ، سگمنت B برای پيدا کردن گره A مورد بررسی قرار خواهد گرفت . هر سوئيج بسته اطلاعاتی ارسال شده را دريافت و مجددا" آن را برای ساير سگمنت ها ارسال خواهد کرد. ( چون هيچکدام هنوز دانشی نسبت به محل گره A را کسب نکرده اند) سوئيج A بسته اطلاعاتی ارسالی توسط هر يک از سوئيچ ها را دريافت و مجددا" آن را برای ساير سگمنت ها ارسال می نمايد. در جنين شرايطی يک نوع " آشفتگی انتشار " ايجاد شده است . شرايط فوق باعث ايجاد مشکل ترافيکی در شبکه خواهد شد. به منظور حل مشکل فوق از تکنولوژی با نام Spanning trees استفاده می شود.



Spanning tree

بمنظوری پيشگيری از مسئله " آشفتگی انتشار" و ساير اثرات جانبی در رابطه با Looping شرکت DEC پروتکلی با نام STP)Spanning-tree Protocol) را ايجاد نموده است . پروتکل فوق با مشخصه 802.1d توسط موسسه IEEE استاندارد شده است . Spanning tree از الگوريتم STA(Spanning-tree algoritm) استفاده می نمايد. الگوريتم فوق بررسی خواهد کرد آيا يک سوئيچ دارای بيش از يک مسير برای دستيابی به يک گره خاص است . در صورت وجود مسيرهای متعدد ، بهترين مسير نسبت به ساير مسيرها کدام است ؟ نحوه عمليات STP بشرح زير است :


- به هر سوئيج ، مجموعه ای از مشخصه ها (ID) نسبت داده می شود. يکی از مشخصه ها برای سوئيچ و ساير مشخصه ها برای هر يک از پورت ها استفاده می گردد. م?شخصه سوئيچ ، BID)Bridge ID) ناميده شده و دارای هشت بايت است . دو بايت بمنظور مشخص نمودن اولويت و شش بايت برای مشخص کردن آدرس MAC استفاده می گردد. مشخصه پورت ها ، شانزده بيتی است . شش بيت بمنظور تنظيمات مربوط به اولويت و ده بيت ديگر برای اختصاص يک شماره برا ی پورت مورد نظر است .


- برای هر مسير يک Path Cost محاسبه می گردد. نحوه محاسبه پارامتر فوق بر اساس استانداردهای ارائه شده توسط موسسه IEEE است . بمنظور محاسبه مقادر فوق ، 1.000 مگابيت در ثانيه ( يک گيگابيت در ثانيه ) را بر پهنای باند سگمنت متصل شده به پورت ، تقسيم می نمايند. بنابراين يک اتصال 10 مگابيت در ثانيه ، دارای Cost به ميزان 100 است (1.000 تفسيم بر 10 ) . بمنظور هماهنگ شدن با افزايش سرعت شبکه های کامپيوتری استاندارد Cost نيز اصلاح می گردد. جدول زير مقادير جديد STP Cost را نشان می دهد. ( مقدار Path cost می تواند يک مقدار دلخواه بوده که توسط مديريت شبکه تعريف و مشخص می گردد )

Bandwidth-------STP Cost Value
4 Mbps---------------250
10 Mbps---------------100
16 Mbps---------------62
45 Mbps---------------39
100 Mbps---------------19
155 Mbps---------------14
622 Mbps---------------6
1 Gbps---------------4
10 Gbps---------------2

- هر سوئيچ فرآيندی را بمنظور انتخاب مسيرهای شبکه که می بايست توسط هر يک از سگمنت ها استفاده گردد ، آغاز می نمايند. اطلاعات فوق توسط ساير سوئيچ ها و با استفاده از يک پروتکل خاص با نام BPUD)Bridge protocol data units) به اشتراک گذاشته می شود. ساختار يک BPUDبشرح زير است :

● Root BID . پارامتر فوق BID مربوط به Root Bridge جاری را مشخص می کند.

● Path Cost to Bridge . مسافت root bridge را مشخص می نمايد. مثلا" در صورتيکه داده از طريق طی نمودن سه سگمنت با سرعتی معادل 100 مگابيت در ثانيه برای رسيدن به Root bridge باشد ، مقدار cost بصورت (19+19+0=38) بدست می آيد. سگمنتی که به Root Bridge متصل است دارای Cost معادل صفر است .

●Sender BID . مشخصه BID سوئيچ ارسال کننده BPDU را مشخص می کند.

●Port ID . پورت ارسال کننده BPDU مربوط به سوئيچ را مشخص می نمايد.


تمام سوئيج ها بمنظور مشخص نمودن بهترين مسير بين سگمنت های متفاوت ، بصورت پيوسته برای يکديگر BPDU ارسال می نمايند. زمانيکه سوئيچی يک BPDU را (از سوئيچ ديگر) دريافت می دارد که مناسبتر از آن چيزی است که خود برای ارسال اطلاعات در همان سگمنت استفاده کرده است ، BPDU خود را متوقف ( به ساير سگمنت ها اراسال نمی نمايد ) و از BPDU ساير سوئيچ ها بمنظور دستيابی به سگمنت ها استفاده خواهد کرد.


- يک Root bridge بر اساس فرآيندهای BPDU بين سوئيج ها ، انتخاب می گردد. در ابتدا هر سوئيج خود را بعنوان Root در نظر می گيرد. زمانيکه يک سوئيچ برای اولين بار به شبکه متصل می گردد ، يک BPDU را بهمراه BID خود که بعنوان Root BID است ، ارسال می نمايد. زمانيکه ساير سوئيچ ها BPDU را دريافت می دارند ، آن را با BID مربوطه ای که بعنوان Root BID ذخيره نموده اند، مقايسه می نمايند. در صورتيکه Root BID جديد دارای يک مقدار کمتر باشد ، تمام سوئيچ ها آن را با آنچيزی که قبلا" ذخيره کرده اند، جايگزين می نمايند. در صورتيکه Root BID ذخيره شده دارای مقدار کمتری باشد ، يک BPDU برای سوئيچ جديد بهمراه BID مربوط به Root BID ارسال می گردد. زمانيکه سوئيچ جديد BPDU را دريافت می دارد ، از Root بودن خود صرفنظر و مقدار ارسالی را بعنوان Root BID در جدول مربوط به خود ذخيره خواهد کرد.

- با توجه به محل Root Bridge ، ساير سوئيچ ها مشخص خواهند کرد که کداميک از پورت های آنها دارای کوتاهترين مسير به Root Bridge است . پورت های فوق، Root Ports ناميده شده و هر سوئيج می بايست دارای يک نمونه باشد.

- سوئيچ ها مشخص خواهند کرد که چه کسی دارای پورت های designated است . پورت فوق ، اتصالی است که توسط آن بسته های اطلاعاتی برای يک سگمنت خاص ارسال و يا از آن دريافت خواهند شد. با داشتن صرفا" يک نمونه از پورت های فوق ، تمام مشکلات مربوط به Looping برطرف خواهد شد.

- پورت های designated بر اساس کوتاهترتن مسير بين يک سگمنت تا root bridge انتخاب می گردند. با توجه به اينکه Root bridge دارای مقدار صفر برای path cost است ، هر پورت آن بمنزله يک پورت designated است . ( مشروط به اتصال پورت مورد نظر به سسگمنت ) برای ساير سوئيچ ها، Path Cost برای يک سگمنت بررسی می گردد. در صورتيکه پورتی دارای پايين ترين path cost باشد ، پورت فوق بمنزله پورت designated سگمنت مورد نظر خواهد بود. در صورتيکه دو و يا بيش از دو پورت دارای مقادير يکسان path cost باشند ، سوئيچ با مقادر کمتر BID اتخاب می گردد.

- پس از انتخاب پورت designatedبرای سگمنت شبکه ، ساير پورت های متصل شده به سگمنت مورد نظر بعنوان non -designated port در نظر گرفته خواهند شد. بنابراين با استفاده از پورت های designated می توان به يک سگمنت متصل گرديد.

هر سوئيچ دارای جدول BPDU مربوط به خود بوده که بصورت خودکار بهنگام خواهد شد. بدين ترتيب شبکه بصورت يک spanning tree بوده که roor bridge که بمنزله ريشه و ساير سوئيچ ها بمنزله برگ خواهند بود. هر سوئيچ با استفاده از Root Ports قادر به ارتباط با root bridge بوده و با استفاده از پورت های designated قادر به ارتباط با هر سگمنت خواهد بود.

More Info:

Understanding Spanning-Tree Protocol (Cisco)
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/...an2/stpapp.htm

Spanning tree protocol (Wikipedia)
http://en.wikipedia.org/wiki/Spanning_tree_protocol

Understanding Spanning Tree Protocol -- the Fundamental Bridging Algorithm (O'Reilly)
http://www.oreillynet.com/pub/a/netw..._2nd_lang.html