Referat. von René Bretz

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1 Referat von René Bretz

2 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 2 von 9 Inhalt 1. WAS IST SPANNING TREE? DAS PRINZIP DIE PORT-STATUS BEISPIEL FUNKTIONSWEISE NACHTEILE RSTP RAPID SPANNING TREE PROTOCOL GEÄNDERTE PORT STATUS PORT-TYPEN NEUES BPDU-FORMAT QUELLENANGABEN...9

3 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 3 von 9 1. Was ist Spanning Tree? Spanning Tree ist ein Protokoll, um ein logisches, geswitchtes Netzwerk in einen logischen Baum aufzuspannen. Dies soll der Ausfallsicherheit dienen, da es redundante Verbindungen gibt, aber immer nur einen Weg zu jedem Ziel. Durch Spanning Tree werden also doppelte Frames beim Empfänger vermieden. Spanning Tree ist ein Protokoll der Schicht 2, also auf der MAC-Ebene, standardisiert unter IEEE 802.1d. Das Rapid Spanning Tree -Protokoll (zukünftig als RSTP bez.) ist eine weiterentwickelte Form des Spanning Tree Protokolls (zukünftig als STP bezeichnet), das die Ausfallzeiten bei der Neuorganisation von 30 auf unter 1 Sekunde senken soll. Zu Gunsten von RSTP soll STP zukünftig aus der IEEE-Standardisierung entfallen, RSTP ist schon jetzt feste als IEEE 802.1w standardisiert. 2. Das Prinzip Als Ausgangspunkt für den Baum muss zunächst eine Root-Bridge festgelegt werden, was anhand der niedrigsten Bridge-ID geschieht. Die Bridge (die Bridge kann in diesem Fall natürlich auch ein Switch sein) mit der niedrigsten ID wird automatisch Root. Haben zwei Bridges die niedrigste ID, so entscheidet die niedrigste MAC-Adresse wer Root wird Die Port-Status Es gibt verschiedene Modi, die ein Port im Spanning Tree annehmen kann. Die drei wichtigsten sind der Root-Port, der Designated-Port, und der Zustand Blocked. Die Verbindungen zwischen den Bridges werden mit Kosten bewertet (siehe Abbildung Wegekostentabelle ). Der Port einer Bridge im Spanning Tree, der die niedrigsten Root-Pfadkosten (RPC [Root Path Cost] Summe aller Kosten der Verbindungen bis zur Root-Bridge) hat, wird Root-Port, eine Bridge kann demnach nur einen Root-Port besitzen. Die Root-Bridge besitzt nur geblockte oder Designated-Ports. Der Root-Port bekommt den Status Forwarding, was bedeutet, dass über ihn Datenpakete weitergeleitet werden können. Jeder weitere Port der Bridge, der nicht geblockt wird, aber mit einer anderen Bridge verbunden ist, ist ein Designated- Port, welcher auch den Status Forwarding besitzt. Auch über die Designated-Ports werden Datenpakete weitergeleitet. An die geblockten Ports werden keine Datenpakete weitergeleitet, sie können jedoch die BPDUs, die Konfigurationsnachrichten der Bridges empfangen. Ein Port wird dann in diesen Modus gesetzt, wenn es weitere Verbindungen mit niedrigeren Pfadkosten zur Root-Bridge gibt, er also nicht benötigt wird.

4 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 4 von 9 Dies geschieht, um das Auftreten von doppelten Frames im Netzwerk zu vermeiden. Ein geblockter Port kann dann zu einem Designated- oder sogar Root-Port werden, wenn an anderer Stelle eine Verbindung ausfällt, somit wird dann die vorher nicht benötigte, redundante Verbindung genutzt. 3. Beispiel Beispiel 1 In diesem Beispiel ist ein einfacher, kleiner, aufspannender Baum dargestellt. Die dicken Linen sind die Verbindungen, die Zahl in der Mitte der Verbindungen sind die Kosten der Verbindung, schwarz ist aktiv, rot geblockt. Die Zahl vor den Abkürzungen an den Ports ist die Port-Nummer. Das obere, linke Switch ist in diesem Beispiel die Root Bridge, da es die ID#1 trägt, und somit die niedrigste. Im Beispiel ist z.b. Port 1 der Root-Port von Switch 3, da die Kosten zur Root Bridge hier nur 1 betragen. An Port zwei während es Kosten von 2, woraufhin dieser deaktiviert wurde. Die Verbindung zwischen Switch 3, Port 4 und Switch 4, Port 4, in der sich auch das LAN-Segment LAN1 befindet, ist über Switch 3 angebunden, da Switch 3 RPC (Root-Path-Cost Root-Pfadkosten) von 1 hat, während Switch 4 RPC von 1,5 hat. Deshalb ist Port 4 an Switch 4 im Blocking-Modus, währen Port 4 auf Switch 3 Designated-Port ist. Der Client an Switch 4 (Notebook-Symbol im Beispielbild) ist am Switch angeschlossen, dieser Port ist ein Designated-Port. Der Root-Port von Switch 4 ist der Port 2, da dieser RPC von 1,5 hat, während Port 1 und 4 jeweils RPC 2 hätten. Deshalb sind 1 und 4 geblockt, und 2 ist Root. Switch 2 hat nur über Port 1 Verbindung zur Root-Bridge, also muss Port 1 auch Root-Port sein. Hier betragen die RPC z.b. 3,5, es addieren sich die Kosten von 2 zwischen Switch 2 und 4 und die 1,5 zwischen Switch 4 und der Root-Bridge Switch 1.

5 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 5 von 9 4. Funktionsweise Damit die Bridges/Switches sich im Spanning Tree richtig konfigurieren können, kommen so genannte BPDU (Bridge Protocol Data Unit) Pakete zum Einsatz. Diese Pakete werden alle 2 Sekunden von der Root Bridge an alle Designated-Ports versendet, dieser Zeitintervall nennt sich Hello Time. Das 35 Byte lange Konfigurations-BPDU wird standardmäßig alle 2 Sekunden ( Hello Time) für jeden Forwarding-Port der Root Bridge generiert und über diesen Port gesendet. Die nächste Bridge, die dieses BPDU empfängt, speichert dieses zwischen, ändert beim günstigsten die Felder Root Path Cost, Bridge ID, Port ID und Message Age ab und sendet dies danach wieder an alle ihre designated Ports. Mit den so gewonnenen Informationen ist es den Switches nun möglich, die Konfiguration durchzuführen (z.b. doppelte Verbindungen auszumachen, Ports zu Blocken, den Root-Port zu bestimmen usw.). Dieser Vorgang dauert im Normalfall ca. bis zu 30 Sekunden, bis der komplette Baum konfiguriert und aktiv ist. Erst dann kann im Netzwerk wieder gearbeitet werden, da während der Neuorganisation alle Ports der Bridges/Switches nur noch BPDU Pakete weiterleiten, aber keinen anderen Netzwerkverkehr mehr. Kommt es jetzt zu einer Topologieänderung, also beispielsweise eine defekte Verbindungsleitung, liegt das Problem darin, dass wieder eine Neuorganisation stattfindet, welche dann einen Ausfall des kompletten Netzwerks, im schlimmsten Fall bis zu 30 Sekunden bewirken würde. Dies ist der größte Nachteil des STP, welcher aber im neueren RSTP behoben wurde. Hier bleibt während der Neuorganisation des Baumes die alte Konfiguration aktiv, bis die neue erstellt wurde, dann erfolgt direkt die Umschaltung auf die neue. Das verkürzt die Ausfallzeit des gesamten Netzwerks auf unter eine Sekunde. In diesem Fall würde lediglich der Bereich des Netzwerks länger ausfallen, der von der Topologieänderung direkt betroffen ist. 35 Byte Beispiel 2: Konfigurations-BPDU

6 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 6 von 9 Folgende Informationen befinden sich innerhalb der einzelnen Frame-Felder eines Konfigurations-BPDUs: Protocol ID Protocol Version ID (1 Byte) BPDU Type (1 Byte) Flags (1 Bytes) Root ID (8 Bytes) Root Path Cost (4 Bytes) Bridge ID (8 Bytes) Port ID Message Age 2 (Bytes) Maximum Age Hello Time Forward Delay Enthält Informationen darüber, um welches Protokoll es sich handelt, dieses Feld enthält immer den Wert zero (0). Dieses Feld enthält Informationen über die Protokollversion, dies ist ebenfalls immer der Wert zero. Identifiziert die Art des BPDUs, in diesem Fall ebenfalls der Wert 0. Enthält eine der beiden folgenden Bits: TC (Topology Change) bit, auch LSB (Last Significant Bit), welches angibt, dass sich die Topologie verändert hat TCA (Topology Change Acknowledgment) bit (auch MSB Most Significant Bit), welches von einer Bridge als Bestätigung auf ein von einer anderen Bridge gesendetes TCN versendet wird. Hier findet sich die 2 bit große Prioritätsangabe gefolgt von der 6 bit großen ID der Root Bridge. In diesem Feld findet sich die Angabe über die Root- Pfadkosten, das bedeutet die Kosten von der Bridge, die das Konfigurations-BPDU versendet hat bis zur Root Bridge. Dieses Feld enthält die Priorität sowie die ID der Bridge, die die BPDU gesendet hat. Hier findet sich die Nummer des Ports über die das BPDU- Paket gesendet wurde. Gibt die Zeit an, die verging, seid die Root-Bridge das BPDU generiert und versendet hat. Gibt die Maximale Message Age an, also den Zeitraum nachdem das BPDU verfällt und gelöscht wird. Dieses Feld enthält die Information darüber, wie oft die Root Bridge neue BPDUs generiert und versendet Dieser Wert wird von der Root Bridge festgelegt und gibt an, wie lange die Phasen Learning und Listening jeweils warten, bevor der Port auf den Status Forwarding gesetzt wird. Ein Switchport kann verschiedene Zustände annehmen: Blocking Port wird geblockt, nur empfang und Auswertung von BPDUs möglich, kein anderer Netzwerkverkehr wird beachtet Listening In diesem Status wird die Topologie gebildet Learning Im Listening-Status werden die ausgelesenen Adressen in die Bridging- Tabelle geschrieben Forwarding Bei diesem Status wird der normale Netzwerkverkehr über den Port geleitet, aber auch BPDUs empfangen und ausgewertet

7 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 7 von 9 Eine so genannte Topology Change Notification (Topologieveränderung) tritt auf, wenn: ein TC BPDU (Topology Change) auf einem Designated Port empfangen wird ein Port in den Forwarding-Status wechselt, und die Brücke eine Designated Bridge für mindestens ein LAN ist, das mit ihr verbunden ist ein im Forwarding oder Learning Status befindlicher Port auf Blocking wechselt eine Bridge zur Root-Bridge wird Ist dies geschehen, und eine der Bridges merkt etwas davon, so generiert diese eine TCN und sendet Sie an die nächste, übergeordnete Bridge. Dies setzt sich dann bis zur Root Bridge fort. Hat die Root Bridge das TCN empfangen, so generiert sie ein Konfigurations-BPDU mit TC-Flag, um allen Bridges im Netzwerk die Topologieänderung mitzuteilen. Die Switches setzen beim Empfang dieses BPDUs ihren Expiry Timer (gibt an, nach welcher Zeit die Einträge gelöscht verfallen und aktualisiert werden) für die MAC-Adress-Tabelle auf den Wert den die Root Bridge als Forward Delay festgelegt hat (im Normalfall 15 Sek.). Dies hat zur folge, dass innerhalb kürzester Zeit die Adresstabellen aktualisiert werden. Es kommt aber nicht zu einer kompletten Neuberechnung des Baumes, dies passiert z.b. dann, wenn für die designated Bridges die Root-Bridge nicht mehr erreichbar ist. Dieser Vorgang dauert dann bis zu ca. 30 Sek. 4 Byte Ein Topology Change Notification -BPDU Die einzige Information die mit diesem, nur 4 Byte langen Frame transportiert wird ist der Wert im BPDU-Type Feld, welcher für eine Topologieveränderung steht Nachteile Ein Hacker hat die Möglichkeit mit Hilfe von manipulierten BPDU-Paketen diese Neuberechnung anzustoßen, und kann so das komplette Netzwerk für im schlimmsten Fall mehr als 30 Sekunden lahm legen. Bei einer Neuberechnung gehen alle Ports zuerst in den Listening, dann in den Learning Status und bekommen dann ihren endgültigen Status, entweder Blocked oder Forwarding. Während der Status Listening und Learning ist kein Zugriff über das Netzwerk möglich, da die Ports in diesem Fall zum Schutz vor Loops keinen Netzwerkverkehr weiterleiten. Die Dauer des Listening und Learning-Status ergibt sich auf dem Forward-Delay, welcher im Normalfall 15 Sekunden beträgt. Daher dauert es insgesamt 30 Sekunden, bis ein Port in den Forwarding-Status wechselt. Während dieser Zeit ist kein Netzwerkdatenverkehr über den Port möglich, mit Ausnahme der BPDUs.

8 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 8 von 9 5. RSTP Rapid Spanning Tree Protocol Das RSTP ist eine Weiterentwicklung des STP. Es ist unter dem IEEE-Standard 802.1w festgelegt, und soll IEEE 802.1d (STP) ersetzen. Die Änderungen beziehen sich hauptsächlich darauf, zu Gewährleisten, dass bei einer Neuorganisation des Baumes kein größerer Netzwerkausfall von bis zu 30 Sekunden oder mehr entsteht. RSTP erlaubt eine Umschaltung der Konfiguration der Bridges in weniger als 1 Sekunde. An den Grundprinzipien des Spanning Trees hat sich nichts verändert, die Logik, nach der die Ports in den Status Blocking oder Forwarding gesetzt werden, sowie die Rolle der Root und Designated Ports, der Root Bridge und Designated Bridges, sowie die Berechnung der Wegekosten (RPC Root Path Cost) ist immer noch die selbe. Sollten in einem Netzwerk Bridges aktiv sein mit STP und andere, die RSTP aktiviert haben, so wird automatisch STP benutzt und die Vorteile von RSTP nicht genutzt Geänderte Port Status Es wurde darüber hinaus der Status Discarding anstelle von Disabled, Blocking und Listening eingeführt. Das Blocking unterteilt das BPDU-Flag in Backup und Alternate. Discarding Ports können also z.b. ein Backup-Port oder auch ein Alternate-Port sein. Backup Ports blockieren den Empfang von BPDUs der eigenen Bridge, was Initialisierungszeit spart, die Alternate-Ports hingegen blockieren BPDUs von anderen Bridges und bieten einen alternativen Weg zur Root-Bridge, falls der Root-Port ausfallen sollte. STP (802.1d) Port-Status Disabled Blocking Listening Learning Forwarding RSTP (802.1w) Port-Status Discarding Learning Forwarding Die Tabelle enthält eine Gegenüberstellung der Port-Status bei STP und RSTP, wo zu sehen ist, dass die Status Disabled, Blocking sowie Listening nach dem neuen Standard in einem einzigen Status, dem Status Discarding zusammengefasst sind Port-Typen Da es bei RSTP verschiedene Porttypen gibt, muss der Administrator vorher festlegen welcher Port welchem Typen zugeordnet wird. Folgende Porttypen stehen zur Auswahl: Porttyp Beschreibung Edge Dieser Porttyp dient zum Anschluss von Endgeräten wie Server oder Arbeitsstationen. Über Edge-Ports werden keine BPDUs gesendet, wird ein BPDU empfangen werden, so verliert der Port seinen Edge-Status. Hier erfolgt eine schnelle Umschaltung bei einer Neuorganisation. Point-to-Point Arbeiten im Vollduplex-Modus und können schnell umgeschaltet werden. Sie stellen Verbindung zu jeweils einem Nachbarn (Switch oder Endgerät) her. Shared Verbindet zu einem Netzwerksegment, in dem weitere Komponenten wie Bridges vorhanden sind, hier muss eine vollständige Neuaushandlung durchgeführt werden.

9 Spanning Tree & Rapid Spanning Tree Protocol Seite 9 von Neues BPDU-Format Mit dem neuen Standard RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) wurde auch das Format der BPDUs (Bridge Protocol Data Units) leicht verändert. Das Flag-Byte wurde verändert, und nutzt jetzt alle sechs verbliebenen Bits aus (Bit 2-7) Siehe Abbildung RSTP BPDU Flag Bit, die vorher keine Verwendung fanden. Abbildung: RSTP BPDU Flag Bit Während bei STP nur die Root-Bridge die Konfigurations-BPDUs generiert (normalerweise alle 2 Sekunden Hello Time), und diese dann von Bridge zu Bridge weitergeleitet werden, generieren bei RSTP auch die Designated-Bridges BPDUs, in einer vom Systemadministrator festgelegten Zeit. So können Verbindungsausfälle viel schneller als bei STP erkannt werden. 6. Quellenangaben cwsi2/cwsiug2/vlan2/stpapp.htm