RSTP Rapid Spanning Tree Protocol Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach Auszug aus dem Werk: Herausgeber: Heinz Schulte WEKA-Verlag ISBN 978-3824540662 In Ethernet-Netzwerken werden oft Ethernet Switches (ESW) als sog. Access Switches bzw. Distribution Switches eingesetzt. Weil deren Aufgabe in der Weiterleitung empfangener MAC-Frames 1 auch Ethernet-Frames genannt besteht, bezeichnet man sie auch als Layer-2-Switches (kurz L2-Switches). Um eine hohe Verfügbarkeit von Netzwerkdiensten erreichen zu können, müssen einige Netzwerkkomponenten (Links, Switches) redundant auslegt werden. Werden in einem Ethernet-Netzwerk aber mehrere L2-Switches eingesetzt und einige von ihnen bzw. einige der Links sind redundant, so können unerwünschte Effekte im Netzwerk entstehen. Wenn beispielsweise mehrere redundante Wege zu einem Zielrechner führen, kann dieser eventuell mit mehreren Kopien ein und desselben MAC-Frames überflutet werden oder einige MAC-Frames können sogar im Netzwerk zirkulieren, also sog. Loops, oft auch als logische Schleifen bezeichnet, bilden. Die negativen Auswirkungen eines solchen Überflutens eines Zielrechners mit mehreren Kopien eines MAC-Frames und eventueller Loops lassen sich jedoch nicht vorhersehen. Um redundante Wege und Loops in Netzwerken mit L2-Switches zu entdecken und alle redundanten Netzwerkkomponenten, die diese negativen Effekte verursachen, zu sperren, damit automatisch eine neue äquivalente Netzwerkbaumtopologie, die sog. aktive Topologie (active Topology), generiert werden kann, wurde bereits Ende der Achtzigerjahre das Spanning Tree Protocol (STP) 2 entwickelt und später im Standard IEEE 802.1D des IEEE 3 spezifiziert. 1 Media Access Control 2 Für eine Beschreibung des STP siehe: Schulte, Heinz (Hrsg.): Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA Verlag, 978-3824535017. 3 Institute of Electrical and Electronics Engineers 1
Das STP berücksichtigt jedoch nicht die Eigenschaften moderner Netzwerke und ist noch an ursprüngliche, kollisionsbehaftete Ethernet-Netzwerke angepasst und nicht an Netzwerke mit Ethernet Switches und Vollduplex-Ethernet-Links zwischen ihnen. Demzufolge hat das STP einen Nachteil und zwar: Die Konvergenzzeit zu einer aktiven (Netzwerkbaum-)Topologie, während der die STP-fähigen Switches im Netzwerk außer Frames mit STP-Paketen keine Frames mit Nutzdaten weiterleiten dürfen, ist relativ lang. Sie kann sogar mehr als 30 s dauern. 4 Demzufolge führt beim STP die Konvergenz bei einer aktiven Topologie de facto zu einer kurzen Unterbrechung der Netzwerkfunktion. Aus diesem Grund, also um die Konvergenzzeit zu reduzieren, war eine Modifikation des STP notwendig. Als Ergebnis dieser Modifikation ist das Rapid Spanning Tree Protocol (Rapid STP, RSTP) entstanden. Es kann in einem Netzwerk parallel zum STP eingesetzt werden. Das heißt, einige Switches können nur STP und andere nur RSTP unterstützen. Man kann im Fall von RSTP daher von einer Abwärtskompatibilität zu STP sprechen. Das RSTP wurde zuerst 2001 von der IEEE als Standard IEEE 802.1w unter dem Titel: Rapid Reconfiguration of Spanning Tree veröffentlicht. Im Jahr 2004 wurde es aber in seiner neuen Fassung im Kapitel 17 des Standards 802.1D beschrieben, also im gleichen Standard, in dem das STP spezifiziert wird. L2-Switch und Bridge als Synonyme Als das STP konzipiert wurde, verwendete man in Ethernetbasierten Netzwerken, um mehrere Ethernet-Segmente miteinander zu koppeln, noch die sog. Transparent Bridges (TBs) kurz Bridges. Der Einsatz mehrerer Prozessoren in Multiport Bridges (d.h. mit mehr als zwei Ports) führte zur Entstehung von L2-Switches. Diese werden auch als Ethernet Switches bezeichnet. Demzufolge ent- 4 Wird ein Switch Port beim STP als designierter Port ausgewählt, dann muss er die zwei Zeitintervalle Forward Delay (standardmäßig: 15 s) abwarten, bevor er in den Zustand Forwarding gesetzt wird, also bevor er Frames mit Nutzdaten senden darf (siehe auch das Bild 004677a). 2
spricht ein L2-Switch der Funktion nach vollkommen einer Multiport Bridge. Um mit dem IEEE-Standard 802.1D im Einklang zu bleiben, wird in diesem Text stellenweise und nur, wenn es unbedingt sein muss auch bei der Beschreibung des RSTP der Begriff Bridge verwendet. Bei der Darstellung von praktischen Beispielen werden als Bridge-Synonyme allerdings die aktuellen Begriffe Ethernet Switch bzw. L2-Switch verwendet. Bemerkung: Weil es sich hier ausschließlich um L2-Switches handelt, werden diese im Weiteren kurz auch als Switches bezeichnet. Neue Arten von Links beim RSTP Das RSTP wurde hauptsächlich für den Einsatz in ausschließlich auf L2-Switches basierten Netzwerken konzipiert, kann aber auch in Netzwerken mit L2-Switches und traditionellen Hubs eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden beim RSTP neue Arten von Links definiert. Bild 004668 illustriert diese. Bild 004668: Neue Arten von Links beim RSTP in einer Netzwerkstruktur: a) mit L2-Switches, b) mit L2-Switches und SM-Hubs P2P: SM: Point-to-Point Shared Media Beim RSTP werden die Verbindungen zwischen L2-Switches als Links und die Verbindungen zu Endsystemen (Client, Server) als Edges bezeichnet. Die Links zwischen L2-Switches als Point-to- Point Links (P2P-Links) sind Vollduplex-Ethernet-Verbindungen. Bei Links zwischen SM-Hubs und L2-Switches handelt es sich um 3
sog. Shared Links (SLs), also um Halbduplex-Ethernet- Verbindungen. In den meisten Netzwerken werden heute keine SM-Hubs mehr eingesetzt. Deswegen wurde bei der Entwicklung des RSTP nicht versucht, das Protokoll für den Einsatz in Netzwerken mit SM-Hubs zu optimieren. Somit bringt der Einsatz des RSTP in klassischen Netzwerken mit SM-Hubs im Vergleich zum STP keine beachtlichen Gewinne bezüglich der Reduzierung der Konvergenzzeit. Notwendigkeit des RSTP Um die an Netzwerke gestellten Anforderungen, wie z.b. die Garantie der Skalierbarkeit, zu erfüllen, werden heutige Netzwerke strukturiert aufgebaut 5, und zwar vollkommen unabgängig davon, ob ein Netzwerk ein oder mehrere Gebäude umfasst. Bild 004669 zeigt ein Beispiel für ein typisches Ethernet-Netzwerk mit redundant ausgelegten Komponenten. Bild 004669: Beispiel für ein Ethernet-Netzwerk mit redundanten Komponenten; unerwünschte Effekte infolge von Loops sind hier möglich SW: Switch 5 Für Näheres darüber siehe den Abschnitt 4/2 Netzwerkdesign Grundlagen und Komponenten in: Schulte, Heinz (Hrsg.): Vom LAN zum Kommunikationsnetz Netze und Protokolle, WEKA Verlag, 978-3824535017. 4
Zur Anbindung von Arbeitsplatzrechnern (sog. Clients) an das Netzwerk, werden in diesem Fall L2-Switches als Access Switches eingesetzt. Um die Kommunikation zwischen den an verschiedenen Access Switches angebunden Clients zu unterstützen, werden die Access Switches untereinander über sog. Distribution Switches 6 vernetzt. Der Zugang zu Servern erfolgt über leistungsfähige Switches, sog. Server Switches. Um die Bedeutung des RSTP zum Ausdruck zu bringen, wird im Weiteren angenommen, dass im Netzwerk auf Bild 004669 alle Arten von Switches also Access Switches, Distribution Switches und Server Switches L2-Switches sind. In diesem Netzwerk sind die Distribution Switches und die Server Switches redundant ausgelegt. Somit sind auch die Links B, I, J. K und L als redundant zu betrachten. Infolge dieser Redundanz existieren mehrere Wege von jedem Client zu jedem Server. Dadurch kann ein Server von einem Client mehrere Kopien desselben Frames erhalten und außerdem können einige Frames unendlich zirkulieren, also logische Schleifen (Loops) entstehen. Dies kann zu unerwünschten Effekten führen, deren Folgen sich nicht voraussagen lassen. Um diese Effekte auszuschließen, ist der Einsatz des RSTP notwendig. Festlegungen für den Einsatz des RSTP Für den Einsatz des RSTP müssen aber ebenso wie beim STP bestimmte Festlegungen getroffen werden; zu diesen gehören u.a.: Jeder Switch hat eine eindeutige Identifikation (ID) in IEEE- 802.1D als Bridge-ID bezeichnet. Die IDs der Switches in Bild 004668 sind: 1, 2,..., 8. Jedem Switch Port (Bridge Port) muss sowohl eine eindeutige Identifikation Port ID genannt als auch eine entsprechende 6 Die Funktion der Distribution Switches hängt von der Größe eines Netzwerks ab. In einem kleinen Netzwerk ohne Bildung von IP-Subnetzen kann ein L2-Switch als Distribution Switch dienen. In großen Netzwerken mit VLANs (Virtual LANs) ist im Distribution Switch eine Routingfunktion nötig. Daher werden oft sog. Multilayer Switches (d.h. L2- und L3-Switches) als Distribution Switches eingesetzt. 5
Gewichtung, die als Port-Pfadkosten (Port Path Cost, PPC) bezeichnet wird, zugewiesen werden. Sie werden festgelegt, um die sekundäre Netzwerkbaumtopologie zu beeinflussen (zu bestimmen). Die Port-Pfadkosten eines Ports im Switch A zum Switch B sollen umgekehrt proportional zur Bitrate im Link zwischen diesen Switches sein. 7 Um die Darstellung in Bild 004669 aber zu vereinfachen, wurden den redundanten Links die gleichen Port-Pfadkosten 10 und den restlichen Links die Port- Pfadkosten 1 zugewiesen. Folge des RSTP-Einsatzes In einem Netzwerk mit RSTP schicken sich die Switches gegenseitig RSTP-Nachrichten zu. Das Ziel ist, sich kennenzulernen und Angaben zu übermitteln, dank derer redundante Komponenten entdeckt und blockiert (gesperrt), also de facto vom restlichen System logisch abgetrennt werden können. Auf diese Weise kann jede beliebige, ursprüngliche Netzwerktopologie in eine funktionell äquivalente, aktive Baumtopologie umgewandelt werden, in der keine Loops entstehen. Bild 004670: Äquivalente, aktive Baumtopologie als Loop-freie Netzwerktopologie auf der in Bild 004668 dargestellten Netzwerktopologie basierend Bild 004670 illustriert die Folge des Einsatzes des RSTP innerhalb der in Bild 004669 gezeigten Netzwerktopologie. Wie man hier 7 Für Näheres siehe die Table 17-3 im Standard IEEE 802.1D-2004. Gemäß dieser Tabelle betragen die Portpfadkosten z.b.: 2 000 000 für 10 MBit/s, 200 000 für 100 MBit/s, 20 000 für 1 GBit/s und 2 000 für 10 GBit/s. 6
sieht, ist eine aktive Baumtopologie mit dem Switch 1 als Root (d.h. als Baumwurzel) entstanden, in der keine Loops mehr möglich sind und demzufolge keine unerwünschten Effekte entstehen. RSTP als neue Generation des STP Vor ca. zehn Jahren hat sich herausgestellt, dass das STP sich nicht besonders gut zum Einsatz in modernen, auf L2-Switches basierenden Netzstrukturen eignet. Als neue Generation des STP wurde daraufhin das RSTP entwickelt. Die wesentlichen Erneuerungen beim RSTP können zu folgenden Punkten zusammengefasst werden: andere Zustände von Bridge Ports neue Funktionen von Bridge Ports als Alternate Port, Backup Port und als Edge Port (vgl. Bild 004671) neue Formate von BPDUs 8 (vgl. Bild 004672), andere Behandlung von BPDUs und anderer Protokollablauf des RSTP bei einer Topologieänderung (vgl. Bild 004677). Ebenso wie beim STP wird beim RSTP ein Switch als Root in der aktiven Baumtopologie bestimmt. Als Root also als Wurzel in dieser Baumtopologie dient der Switch mit der niedrigsten Identifikation (ID), d.h. mit dem niedrigsten Wert für die Bridge-ID. In Bild 004670 fungiert beispielsweise der Server Switch 1 als Root. Zustände von Ports beim RSTP Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der Zustände von Ports beim STP und beim RSTP. Beim Einsatz des RSTP kann sich jeder Switch Port in einem von drei Zuständen befinden. Diese drei sind: Discarding (Löschen, Abwerfen) Der Zustand bedeutet, dass der Port weder ankommende Frames mit Nutzdaten weiterleitet noch MAC-Adressen erlernt. Hingegen empfängt der Port aber RSTP-Nachrichten, um zu erkennen, ob eine Topologieänderung (Topology Change, TC) durchge- 8 Bridge Protocol Data Units, siehe unten 7
führt werden soll. Ein Port kann in den Zustand Discarding aber auch manuell durch den Netzwerkadministrator versetzt werden. Beim STP würde ein solcher Fall dem Zustand Disabled entsprechen. Learning Dieser Zustand ist ein Zwischenzustand, wenn ein Port aus dem Zustand Discarding in den Zustand Forwarding übergeht und sich (durch Erlernen von über seine Ports erreichbaren MAC- Adressen) somit auf die Übermittlung von Frames mit Nutzdaten vorbereitet. Diese Frames werden im Zustand Learning noch nicht weitergeleitet, sondern nur empfangene RSTP- Nachrichten. Ein Port verbleibt im Zustand Learning nur über eine sehr kurze Zeit. Forwarding Nur in diesem Zustand empfängt und leitet der Port außer von RSTP-Nachrichten auch die Frame mit Nutzdaten weiter. STP- Portzustand Disabled Blocking RSTP- Portzustand Discarding Gehört der Port zur aktiven Topologie? nein Listening Learning Learning ja Forwarding Forwarding ja Tabelle 1: Portzustände und ihre Eigenschaften beim STP und beim RSTP Funktionen und Zustände von Ports in Switches Ebenso wie beim STP können beim RSTP jedem Switch Port verschiedene als Port Roles bezeichnete Funktionen zugeteilt werden. Bild 004671 illustriert die Bedeutung einiger dieser Portfunktionen. 8
Bild 004671: Illustration der Begriffe: Root Bridge, Root Port, Designated Port, Alternate Port und Root Path RPC: SW: Root Path Cost (Root-Pfadkosten) Switch Jeder Switch Port kann beim RSTP funktionieren als Root Port: Sendeport in Root-Richtung Über den Root Port in einem Switch führt der kürzeste Pfad 9 von diesem Switch zum Root (vgl. Bild 004669 und Bild 004671). Wie aus Bild 004671 ersichtlich ist, wird in jedem Switch nur ein Root Port zur Übermittlung des Datenverkehrs zum Root bestimmt. Designated Port: Empfangsport in Root-Richtung In jedem Switch können einige Ports als sog. Designated Ports ausgewählt werden, über die der Datenverkehr zum Root emp- 9 Als kürzester Pfad gilt der Pfad, auf dem die Summe aller Port-Pfadkosten unterwegs zum Root Switch die niedrigste ist. 9
fangen wird. 10 Führt ein Link vom Switch A zum Designated Port im Switch B, so wird der Switch designierter Switch des Switch A genannt. In Bild 004671 gilt beispielsweise der Switch 3 als designierter Switch vom Switch 5. Alternate Port: Port zum alternativen, designierten Switch Während eines normalen Netzwerkbetriebs wird ein Switch nur über einen Root Port mit seinem designierten Switch verbunden. Beim RSTP kann im Switch ein sog. Alternativ-Port (Alternate Port) als Port zu einem alternativen, designierten Switch bestimmt werden. Fällt der primäre, designierte Switch aus und der Datenverkehr über den ursprünglichen Root Port ist nicht mehr möglich, besteht so die Möglichkeit, schnell auf den Alternate Port umzuschalten und daraufhin den Datenverkehr in Root-Richtung über diesen alternativen, designierten Switch abzuwickeln. Ein Alternate Port ist normalerweise blockiert befindet sich im Zustand Discarding, im dem er lediglich RSTP-Nachrichten empfängt und kann nur bei Bedarf als Ersatz-Root-Port zur Übermittlung von Nutzdaten in Root-Richtung über einen alternativen, designierten Switch freigegeben werden. Backup Port: Ersatzport zum gleichen, designierten Switch In einem Switch kann ein Port als Backup Port bestimmt werden, über den der betreffende Switch über einen alternativen Link mit seinem designierten Switch verbunden wird. 11 Dieser Port befindet sich während eines fehlerfreien Netzwerkbetriebs im Zustand Discarding d.h. er ist normalerweise blockiert und kann als Ersatzport zum gleichen, designierten Switch betrachtet werden. Im Gegensatz zu einem Alternate Port wird ü- ber den Backup Port der Datenverkehr in Root-Richtung zum gleichen designierten Switch weitergeleitet. Bemerkung: Während einer aktiven Baumtopologie werden normale Nutzdaten in Switches nur über ihre Root und De- 10 Die Portfunktionen Root Port und Designated Port beim RSTP entsprechen den gleichnamigen Portfunktionen beim STP. 11 Ein Backup Port in einem Switch kann nur dann bestimmt werden, wenn der Switch mit seinem designierten Switch, d.h. mit dem Switch in Root- Richtung, über zumindest zwei Links verbunden ist. 10
signated Ports übermittelt also über die Ports im Zustand Forwarding. Alle Alternate Ports und alle Backup Ports befinden sich hingegen im Zustand Discarding. Dies geht u.a. aus den Bildern 004670 und 004671 hervor. Edge Port: Port für Endsysteme Als Edge Ports werden die Ports bezeichnet, an die Endsysteme also Rechner als Client oder Server direkt angeschlossen werden (vgl. Bilder 004668 und 004671). Solche Ports können keine Loops verursachen, weshalb sie sich immer im Zustand Forwarding befinden. Folglich werden über Edge Ports keine RSTP-Nachrichten gesendet. Für die Fortsetzung siehe: Fachkompendium Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA-Verlag, ISBN-13: 978-3824540662 11