в чем заключается назначение протокола связующего дерева stp

Принцип работы протокола STP

Причина создания STP

Причиной создания протокола STP стало возникновение петель на коммутаторах. Что такое петля? Определение петли звучит так:

Петля коммутации (Bridging loop, Switching loop) — состояние в сети, при котором происходит бесконечная пересылка фреймов между коммутаторами, подключенными в один и тот же сегмент сети.

Из определения становится ясно, что возникновение петли создает большие проблемы — ведет к перегрузке свитчей и неработоспособности данного сегмента сети. Как возникает петля? На картинке ниже приведена топология, при которой будет возникать петля при отсутствии каких-либо защитных механизмов:

Возникновение петли при следующих условиях:

1. Какой-либо из хостов посылает бродкаст фрейм:

2. Также петля может образоваться и без отправки бродкаст фрейма.

Основы STP

Принцип работы данного протокола построен на том, что все избыточные каналы между коммутаторами логически блокируются и трафик через них не передается. Для построения топологии без избыточных каналов строится дерево (математический граф). Чтобы построить такое дерево вначале необходимо определить корень дерева, из которого и будет строиться граф. Поэтому первым шагом протокола STP является определение корневого коммутатора (Root Switch). Для определения Root Switch-a, коммутаторы обмениваются сообщениями BPDU. В общем, протокол STP использует два типа сообщений: BPDU — содержит информацию о коммутаторах и TCN — уведомляет о изменении топологии. Рассмотрим BPDU более детально. Про TCN более подробно поговорим ниже. При включении STP на коммутаторах, коммутаторы начинают рассылать BPDU сообщения. В данных сообщениях содержится следующая информация:

Фрейм BPDU имеет следующие поля:

Вот вывод информации о Bridge ID с коммутатора Switch1 из первой картинки. Priority — 32769 ( по умолчанию 32768 + Vlan Id), MAC-адреса — Address 5000.0001.0000:

Представим картину, коммутаторы только включились и теперь начинают строить топологию без петель. Как только коммутаторы загрузились, они приступают к рассылке BPDU, где информируют всех, что они являются корнем дерева. В BPDU в качестве Root Bridge ID, коммутаторы указывают собственный Bridge ID. Например, Switch1 отправляет BPDU коммутатору Switch3, а Switch3 отправляет к Switch1. BPDU от Switch1 к Switch3:

BPDU от Switch3 к Switch1:

Как видим из Root Identifier, оба коммутотара друг другу сообщают, что именно он является Root коммутатором.

Выбор корневого коммутатора

Пока топология STP не построена, обычный трафик не передается из-за специальных состояний портов, о которых будет сказано ниже. Итак, Switch3 получается BPDU от Switch1 и изучает данное сообщение. Switch3 смотрит в поле Root Bridge ID и видит, что там указан другой Root Bridge ID, чем в том сообщении, которое отправил сам Switch3. Он сравнивает Root Bridge ID в данном сообщении со своим Root Bridge ID и видит, что хоть Priority одинаковые, но MAC-адрес данного коммутатора (Switch1) лучше (меньше), чем у него. Поэтому Switch3 принимает Root Bridge ID от Switch1 и перестает отправлять свои BPDU, а только слушает BPDU от Switch1. Порт, на котором был получен наилучший BPDU становится Root Port-ом. Switch1 также получив BPDU от Switch3, проводит сравнение, но в этом случае поведение Switch1 не меняется, так как полученный BPDU содержит худший Root Bridge ID, чем у Switch1. Таким образом, между Switch1 и Switch3 был определен корневой коммутатор. По аналогичной схеме происходит выбор корневого коммутатора между Switch1 и Switch2. Порты Gi0/0 на Switch2 и Switch3 становятся Root Port — порт, который ведет к корневому коммутатору. Через данный порт коммутаторы Switch2 и Switch3 принимают BPDU от Root Bridge. Теперь разберемся, что произойдет с каналом между Switch2 и Switch3.

Блокирование избыточных каналов

Как мы видим из топологии, канал между Switch2 и Switch3 должен быть заблокирован для предотвращения образования петель. Как STP справляется с этим?

После того, как выбран Root Bridge, Switch2 и Switch3 перестают отправлять BPDU через Root Port-ы, но BPDU, полученные от Root Bridge, они пересылают через все свои остальные активные порты, при этом изменив в данных BPDU только следующие поля:

А Switch3 от Switch2 получает такой BPDU:

После обмена такими BPDU, Switch2 и Switch3 понимают, что топология избыточна. Почему коммутаторы понимают, что топология избыточна? И Switch2, и Switch3 в своих BPDU сообщают об одном и том же Root Bridge. Это означает, что к Root Bridge, относительно Switch3, существует два пути — через Switch1 и Switch2, а это и есть та самая избыточность против которой мы боремся. Также и для Switch2 два пути — через Switch1 и Switch3. Чтоб избавиться от этой избыточности
необходимо заблокировать канал между Switch3 и Switch2. Как это происходит?

Выбор на каком коммутатоторе заблокировать порт происходит по следующей схеме:

Здесь как оказалось заблокируется порт Gi 0/1 на коммутаторе Sw2. В данном голосовании определяющим становится Root Path Cost. Вернемся к нашей топологии. Так как путь до Root Bridge одинаковый, то в данном выборе побеждает Switch2, так как его priority равны, сравниваются Bridge ID. У Switch2 — 50:00:00:02:00:00, у Switch3 — 50:00:00:03:00:00. У Switch2 MAC-адрес лушче (меньше). После того, как выбор сделан, Switch3 перестает переслать какие-либо пакеты через данный порт — Gi1/0, в том числе и BPDU, а только слушает BPDU от Switch2. Данное состояние порта в STP называется Blocking(BLK). Порт Gi1/0 на Switch2 работает в штатном режиме и пересылает различные пакеты при необходимости, но Switch3 их сразу отбрасывает, слушая только BPDU. Таким образом, на данном примере мы построили топологию без избыточных каналов. Единственный избыточный канал между Switch2 и Switch3 был заблокирован при помощи перевода порта Gi1/0 на Switch3 в специальное состояние блокирования — BLK. Теперь более детально разберем механизмы STP.

Состояния портов

Мы говорили выше, что, например, порт Gi1/0 на Switch3 переходит в специальное состояние блокирования — Blocking. В STP существуют следующие состояния портов:

Blocking — блокирование. В данном состоянии через порт не передаются никакие фреймы. Используются для избежания избыточности топологии.

Listening — прослушивание. Как мы говорили выше, что до того, пока еще не выбран корневой коммутатор, порты находятся в специальном состоянии, где передаются только BPDU, фреймы с данными не передаются и не принимаются в этом случае. Состояние Listening не переходит в следующее даже, если Root Bridge определен. Данное состояние порта длится в течении Forward delay timer, который, по умолчанию, равен 15. Почему всегда надо ждать 15 секунд? Это вызвано осторожностью протокола STP, чтоб случайно не был выбран некорректный Root Bridge. По истечению данного периода, порт переходит в следующее состояние — Learning.

Learning — обучение. В данном состояние порт слушает и отправляет BPDU, но информацию с данными не отправляет. Отличие данного состояния от Listening в том, что фреймы с данными, который приходят на порт изучаются и информация о MAC-адресах заносится в таблицу MAC-адресов коммутатора. Переход в следующее состояние также занимает Forward delay timer.

Forwarding — пересылка. Это обычное состояние порта, в котором отправляются и пакеты BPDU, и фреймы с обычными данными. Таким образом, если мы пройдемся по схеме, когда коммутаторы только загрузились, то получается следующая схема:

Роли портов

Помимо состояний портов, также в STP нужны определить портам их роли. Это делается для того, чтоб на каком порте должен ожидаться BPDU от корневого коммутатора, а через какие порты передавать копии BPDU, полученных от корневого коммутатора. Роли портов следующие:

Root Port — корневой порт коммутатора. При выборе корневого коммутатора также и определяется корневой порт. Это порт через который подключен корневой коммутатор. Например, в нашей топологии порты Gi0/0 на Switch2 и Switch3 являются корневыми портами. Через данные порты Switch2 и Switch3 не отправляют BPDU, а только слушают их от Root Bridge. Возникает вопрос — как выбирается корневой порт? Почему не выбран порт Gi1/0? Через него ведь тоже можно иметь связь с коммутатором? Для определения корневого порта в STP используется метрика, которая указывает в поле BPDU — Root Path Cost (стоимость маршрута до корневого свича). Данная стоимость определяется по скорости канала.

Switch1 в своих BPDU в поле Root Path Cost ставит 0, так как сам является Root Bridge. А вот, когда Switch2, когда отправляет BPDU к Switch3, то изменяет данное поле. Он ставит Root Path Cost равным стоимости канала между собой и Switch1. На картинке BPDU от Switch2 и Switch3 можно увидеть, что в данном поле Root Path Cost равен 4, так как канал между Switch1 и Switch2 равен 1 Gbps. Если количество коммутаторов будет больше, то каждый следующий коммутатор будет суммировать стоимость Root Path Cost. Таблица Root Path Cost.

Designated Port — назначенный порт сегмента. Для каждого сегмента сети должен быть порт, который отвечает за подключение данного сегмента к сети. Условно говоря, под сегментом сети может подразумеваться кабель, который осуществляет подключение данного сегмента. Например, порты Gi0/2 на Switch1, Switch3 подключают отдельные сегменты сети, к которым ведет только данный кабель. Также, например, порты на Root Bridge не могут быть заблокированы и все являются назначенными портами сегмента. После данного пояснения можно дать более строгое определения для назначенных портов:
Designated Port (назначенный) — некорневой порт моста между сегментами сети, принимающий трафик из соответствующего сегмента. В каждом сегменте сети может быть только один назначенный порт. У корневого коммутатора все порты — назначенные.

Также важно заметить, что порт Gi1/0 на Switch2 также является назначенным, несмотря на то, что данный канал связи заблокированным на Switch3. Условно говоря, Switch2 не имеет информации о том, что на другом конце порт заблокирован.

Nondesignated Port — неназначенный порт сегмента. Non-designated Port (неназначенный) — порт, не являющийся корневым, или назначенным. Передача фреймов данных через такой порт запрещена. В нашем примере, порт Gi1/0 является неназначенным.

Disabled Port — порт который находится в выключенном состоянии.

Таймеры и сходимость протокола STP

После того, как STP завершил построение топологии без петель, остается вопрос — Как определять изменения в сети и как реагировать на них? Сообщения BPDU при помощи которых работает STP, рассылаются Root Bridge каждые 2 секунды, по умолчанию. Данный таймер называется Hello Timer. Остальные коммутаторы получив через свой root port данное сообщение пересылают его дальше через все назначенные порты. Выше сказано более подробно какие изменения происходят с BPDU при пересылки его коммутаторов. Если в течении времени, определенным таймером Max Age (по умолчанию — 20 секунд), коммутатор не получил ни одного BPDU от корневого коммутатора, то данное событие трактуется как потеря связи с Root Bridge. Для того, чтобы более корректно описать сходимость протокола необходимо изменить нашу топологию и поставить между коммутаторами хабы. Мы добавили хабы, чтоб при выходе из строя одного из коммутаторов или выхода из строя линка, другие коммутаторы не определяли это по падению линка, а использовали таймеры:

Перед тем, как начать также важно рассказать подробнее о другом типе сообщения STP — TCN. TCN рассылается коммутаторами в случае изменения топологии — как только на каком-либо коммутаторе изменилась топология, например, изменилось состояние интерфейса. TCN отправляется коммутатором только через Root Port. Как только корневой коммутатор получит TCN, он сразу меняет параметр времени хранения MAC-адресов в таблице с 300 секунд до 15 (для чего это делается будет сказано ниже) и в следующем BPDU, Root Switch проставляет флаг — TCA ( Topology Change Acknledgement ), который отправляется коммутатору отправившем TCN для уведовления о том, что TCN был получен. Как только TCN достигает Root Bridge, то он рассылает специальный BPDU, который содержится TCN флаг по всем остальным интерфейсам к другим коммутаторам. На картинке показана структура TCN:

TCN был включен в STP, чтоб некорневые коммутаторы могли уведовлять об изменении в сети. Обычными BPDU они этого делать не могут, так как некорневые коммутаторы не отправляют BPDU. Как можно заметить структура TCN не несет в себе никакой информации о том, что именно и где изменилось, а просто сообщает что где-то что-то изменилось. Теперь перейдем к рассмотрению вопроса о сходимости STP.

Посмотрим, что произойдет если мы отключим интерфейс Gi0/1 на Switch1 и посмотрим при помощи каких механизмов перестроится дерево STP. Switch2 перестанет получать BPDU от Switch1 и не будет получать BPDU от Switch3, так как на Switch3 данный порт заблокирован. У Switch2 уйдет 20 секунд ( Max Age Timer ), чтоб понять потерю связи с Root Bridge. До этого времени, Gi0/0 на Switch2 будет находится в состоянии Forwarding с ролью Root Port. Как только истечет Max Age Timer и Switch2 поймет потерю связи, он будет заново строить дерево STP и как это свойственно STP начнет считать себя Root Bridge. Он отправит новый BPDU, где укажет самого себя в качестве Root Bridge через все активные порты, в том числе и на Switch3. Но таймер Max Age, истекший на Switch2 также истек и на Switch3 для интерфейса Gi1/0. Данный порт уже 20 секунд не получал BPDU и данный порт перейдет в состояние LISTENING и отправит BPDU c указанием в качестве Root Bridge — Switch1. Как только Switch2 примет данный BPDU, он перестанет считать себя Root Bridge и выберет в качестве Root Port — интерфейс Gi1/0. В этот момент Switch2 также отправит TCN через Gi1/0, так как это новый Root Port. Это приведет к тому, что время хранения MAC-адресов на коммутаторах уменьшится с 300 секунд до 15. Но на этом работоспособность сети не восстановится полностью, необходимо подождать пока порт Gi1/0 на Switch3 пройдет состояние Listening, а затем Learning. Это займет время равное двум периодам Forward delay timer — 15 + 15 = 30 секунд. Что мы получаем — при потери связи Switch2 ждет пока истечет таймер Max Age = 20 секунд, заново выберает Root Bridge через другой интерфейс и ждет еще 30 секунд пока ранее заблокированный порт перейдет в состояние Forwarding. Суммарно получаем, что связь между VPC5 и VPC6 прервется на 50 секунд. Как было сказано несколькими предложениями выше при изменение Root Port с Gi0/0 на Gi1/0 на Switch2 был отправлен TCN. Если бы этого не произошло, то все MAC-адреса, изученные через порт Gi 0/0, оставались бы привязаны к Gi0/0. Например, MAC-адрес VPC5 и VPC7 несмотря на то, что STP завершит сходимость через 50 секунд, связь между VPC6 и VPC5, VPC7 не была бы восстановлена, так как все пакеты предназначенные VPC5, VPC7 отправлялись через Gi0/0. Надо было бы ждать не 50 секунд, а 300 секунд пока таблица MAC-адресов перестроится. При помощи TCN, время хранение изменилось с 300 секунд до 15 и пока интерфейс Gi1/0 на Switch3 проходил состояния Listening, а затем Learning и данные о MAC-адресах обновятся.

Также интересен вопрос, что произойдет, если мы заново включим интерфейс Gi0/1 на Switch1? При включение интерфейса Gi0/1, он, как и подобает, перейдет в состояние Listening и начнет рассылать BPDU. Как только Switch2 получит BPDU на порту Gi0/0, то сразу перевыберет свой Root Port, так как тут Cost будет наименьшем и начнет пересылать траффик через интерфейс Gi0/0, но нам необходимо подождать пока интерфейс Gi0/1 пройдет состояния Listening, Learning до Forwarding. И задержка будет уже не 50 секунд, а 30.

В протоколе STP также продуманы различные технологии для оптимизации и безопасности работы протокола STP. Более подробно в данной статье рассматривать их не буду, материалы по поводу них можно найти в избытке на различных сайтах.

Источник

Сети для самых маленьких. Часть четвертая. STP

I think that I shall never see
A graph more lovely than a tree.
A tree whose crucial propertyеу
Is loop-free connectivity.
A tree that must be sure to span
So packets can reach every LAN.
First, the root must be selected.
By ID, it is elected.
Least-cost paths from root are traced.
In the tree, these paths are placed.
A mesh is made by folks like me,
Then bridges find a spanning tree.
— Radia Joy Perlman

Все выпуски

В прошлом выпуске мы остановились на статической маршрутизации. Теперь надо сделать шаг в сторону и обсудить вопрос стабильности нашей сети.
Однажды, когда вы — единственный сетевой админ фирмы “Лифт ми Ап” — отпросились на полдня раньше, вдруг упала связь с серверами, и директора не получили несколько важных писем. После короткой, но ощутимой взбучки вы идёте разбираться, в чём дело, а оказалось, по чьей-то неосторожности выпал из разъёма единственный кабель, ведущий к коммутатору в серверной. Небольшая проблема, которую вы могли исправить за две минуты, и даже вообще избежать, существенно сказалась на вашем доходе в этом месяце и возможностях роста.

Итак, сегодня обсуждаем:

Оборудование, работающее на втором уровне модели OSI (коммутатор), должно выполнять 3 функции: запоминание адресов, перенаправление (коммутация) пакетов, защита от петель в сети. Разберем по пунктам каждую функцию.

Запоминание адресов и перенаправление пакетов: Как мы уже говорили ранее, у каждого свича есть таблица сопоставления MAC-адресов и портов (aka CAM-table — Content Addressable Memory Table). Когда устройство, подключенное к свичу, посылает кадр в сеть, свич смотрит MAC-адрес отправителя и порт, откуда получен кадр, и добавляет эту информацию в свою таблицу. Далее он должен передать кадр получателю, адрес которого указан в кадре. По идее, информацию о порте, куда нужно отправить кадр, он берёт из этой же CAM-таблицы. Но, предположим, что свич только что включили (таблица пуста), и он понятия не имеет, в какой из его портов подключен получатель. В этом случае он отправляет полученный кадр во все свои порты, кроме того, откуда он был принят. Все конечные устройства, получив этот кадр, смотрят MAC-адрес получателя, и, если он адресован не им, отбрасывают его. Устройство-получатель отвечает отправителю, а в поле отправителя ставит свой адрес, и вот свич уже знает, что такой-то адрес находится на таком-то порту (вносит запись в таблицу), и в следующий раз уже будет переправлять кадры, адресованные этому устройству, только в этот порт. Чтобы посмотреть содержимое CAM-таблицы, используется команда show mac address-table. Однажды попав в таблицу, информация не остаётся там пожизненно, содержимое постоянно обновляется и если к определенному mac-адресу не обращались 300 секунд (по умолчанию), запись о нем удаляется.
Тут всё должно быть понятно. Но зачем защита от петель? И что это вообще такое?

Широковещательный шторм

Часто, для обеспечения стабильности работы сети в случае проблем со связью между свичами (выход порта из строя, обрыв провода), используют избыточные линки (redundant links) — дополнительные соединения. Идея простая — если между свичами по какой-то причине не работает один линк, используем запасной. Вроде все правильно, но представим себе такую ситуацию: два свича соединены двумя проводами (пусть будет, что у них соединены fa0/1 и fa0/24).

Одной из их подопечных — рабочих станций (например, ПК1) вдруг приспичило послать широковещательный кадр (например, ARP-запрос). Раз широковещательный, шлем во все порты, кроме того, с которого получили.

Второй свич получает кадр в два порта, видит, что он широковещательный, и тоже шлет во все порты, но уже, получается, и обратно в те, с которых получил (кадр из fa0/24 шлет в fa0/1, и наоборот).

Первый свич поступает точно также, и в итоге мы получаем широковещательный шторм (broadcast storm), который намертво блокирует работу сети, ведь свичи теперь только и занимаются тем, что шлют друг другу один и тот же кадр.

Как можно избежать этого? Ведь мы, с одной стороны, не хотим штормов в сети, а с другой, хотим повысить ее отказоустойчивость с помощью избыточных соединений? Тут на помощь нам приходит STP (Spanning Tree Protocol)

Основная задача STP — предотвратить появление петель на втором уровне. Как это сделать? Да просто отрубить все избыточные линки, пока они нам не понадобятся. Тут уже сразу возникает много вопросов: какой линк из двух (или трех-четырех) отрубить? Как определить, что основной линк упал, и пора включать запасной? Как понять, что в сети образовалась петля? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно разобраться, как работает STP.

STP использует алгоритм STA (Spanning Tree Algorithm), результатом работы которого является граф в виде дерева (связный и без простых циклов)

Для обмена информацией между собой свичи используют специальные пакеты, так называемые BPDU (Bridge Protocol Data Units). BPDU бывают двух видов: конфигурационные (Configuration BPDU) и панические “ААА, топология поменялась!” TCN (Topology Change Notification BPDU). Первые регулярно рассылаются корневым свичом (и ретранслируются остальными) и используются для построения топологии, вторые, как понятно из названия, отсылаются в случае изменения топологии сети (проще говоря, подключении\отключении свича). Конфигурационные BPDU содержат несколько полей, остановимся на самых важных:

Что все это такое и зачем оно нужно, объясню чуть ниже. Так как устройства не знают и не хотят знать своих соседей, никаких отношений (смежности/соседства) они друг с другом не устанавливают. Они шлют BPDU из всех работающих портов на мультикастовый ethernet-адрес 01-80-c2-00-00-00 (по умолчанию каждые 2 секунды), который прослушивают все свичи с включенным STP.

Итак, как же формируется топология без петель?

Сначала выбирается так называемый корневой мост/свич (root bridge). Это устройство, которое STP считает точкой отсчета, центром сети; все дерево STP сходится к нему. Выбор базируется на таком понятии, как идентификатор свича (Bridge ID). Bridge ID это число длиной 8 байт, которое состоит из Bridge Priority (приоритет, от 0 до 65535, по умолчанию 32768+номер vlan или инстанс MSTP, в зависимости от реализации протокола), и MAC-адреса устройства. В начале выборов каждый коммутатор считает себя корневым, о чем и заявляет всем остальным с помощью BPDU, в котором представляет свой идентификатор как ID корневого свича. При этом, если он получает BPDU с меньшим Bridge ID, он перестает хвастаться своим и покорно начинает анонсировать полученный Bridge ID в качестве корневого. В итоге, корневым оказывается тот свич, чей Bridge ID меньше всех.

Роли портов

После того, как коммутаторы померились айдями и выбрали root bridge, каждый из остальных свичей должен найти один, и только один порт, который будет вести к корневому свичу. Такой порт называется корневым портом (Root port). Чтобы понять, какой порт лучше использовать, каждый некорневой свич определяет стоимость маршрута от каждого своего порта до корневого свича. Эта стоимость определяется суммой стоимостей всех линков, которые нужно пройти кадру, чтобы дойти до корневого свича. В свою очередь, стоимость линка определяется просто- по его скорости (чем выше скорость, тем меньше стоимость). Процесс определения стоимости маршрута связан с полем BPDU “Root Path Cost” и происходит так:

Если имеют место одинаковые стоимости (как в нашем примере с двумя свичами и двумя проводами между ними — у каждого пути будет стоимость 19) — корневым выбирается меньший порт.

Далее выбираются назначенные (Designated) порты. Из каждого конкретного сегмента сети должен существовать только один путь по направлению к корневому свичу, иначе это петля. В данном случае имеем в виду физический сегмент, в современных сетях без хабов это, грубо говоря, просто провод. Назначенным портом выбирается тот, который имеет лучшую стоимость в данном сегменте. У корневого свича все порты — назначенные.

И вот уже после того, как выбраны корневые и назначенные порты, оставшиеся блокируются, таким образом разрывая петлю.

*На картинке маршрутизаторы выступают в качестве коммутаторов. В реальной жизни это можно сделать с помощью дополнительной свитчёвой платы.

Состояния портов

Чуть раньше мы упомянули состояние блокировки порта, теперь поговорим о том, что это значит, и о других возможных состояниях порта в STP. Итак, в обычном (802.1D) STP существует 5 различных состояний:

Порядок перечисления состояний не случаен: при включении (а также при втыкании нового провода), все порты на устройстве с STP проходят вышеприведенные состояния именно в таком порядке (за исключением disabled-портов). Возникает закономерный вопрос: а зачем такие сложности? А просто STP осторожничает. Ведь на другом конце провода, который только что воткнули в порт, может быть свич, а это потенциальная петля. Вот поэтому порт сначала 15 секунд (по умолчанию) пребывает в состоянии прослушивания — он смотрит BPDU, попадающие в него, выясняет свое положение в сети — как бы чего ни вышло, потом переходит к обучению еще на 15 секунд — пытается выяснить, какие mac-адреса “в ходу” на линке, и потом, убедившись, что ничего он не поломает, начинает уже свою работу. Итого, мы имеем целых 30 секунд простоя, прежде чем подключенное устройство сможет обмениваться информацией со своими соседями. Современные компы грузятся быстрее, чем за 30 секунд. Вот комп загрузился, уже рвется в сеть, истерит на тему “DHCP-сервер, сволочь, ты будешь айпишник выдавать, или нет?”, и, не получив искомого, обижается и уходит в себя, извлекая из своих недр айпишник автонастройки. Естественно, после таких экзерсисов, в сети его слушать никто не будет, ибо “не местный” со своим 169.254.x.x. Понятно, что все это не дело, но как этого избежать?

Portfast

Для таких случаев используется особый режим порта — portfast. При подключении устройства к такому порту, он, минуя промежуточные стадии, сразу переходит к forwarding-состоянию. Само собой, portfast следует включать только на интерфейсах, ведущих к конечным устройствам (рабочим станциям, серверам, телефонам и т.д.), но не к другим свичам.

Есть очень удобная команда режима конфигурации интерфейса для включения нужных фич на порту, в который будут включаться конечные устройства: switchport host. Эта команда разом включает PortFast, переводит порт в режим access (аналогично switchport mode access), и отключает протокол PAgP (об этом протоколе подробнее в разделе агрегация каналов).

Виды STP

STP довольно старый протокол, он создавался для работы в одном LAN-сегменте. А что делать, если мы хотим внедрить его в нашей сети, которая имеет несколько VLANов?

Стандарт 802.1Q, о котором мы упоминали в статье о коммутации, определяет, каким образом вланы передаются внутри транка. Кроме того, он определяет один процесс STP для всех вланов. BPDU по транкам передаются нетегированными (в native VLAN). Этот вариант STP известен как CST (Common Spanning Tree). Наличие только одного процесса для всех вланов очень облегчает работу по настройке и разгружает процессор свича, но, с другой стороны, CST имеет недостатки: избыточные линки между свичами блокируются во всех вланах, что не всегда приемлемо и не дает возможности использовать их для балансировки нагрузки.

Cisco имеет свой взгляд на STP, и свою проприетарную реализацию протокола — PVST (Per-VLAN Spanning Tree) — которая предназначена для работы в сети с несколькими VLAN. В PVST для каждого влана существует свой процесс STP, что позволяет независимую и гибкую настройку под потребности каждого влана, но самое главное, позволяет использовать балансировку нагрузки за счет того, что конкретный физический линк может быть заблокирован в одном влане, но работать в другом. Минусом этой реализации является, конечно, проприетарность: для функционирования PVST требуется проприетарный же ISL транк между свичами.

Также существует вторая версия этой реализации — PVST+, которая позволяет наладить связь между свичами с CST и PVST, и работает как с ISL- транком, так и с 802.1q. PVST+ это протокол по умолчанию на коммутаторах Cisco.

Все, о чем мы говорили ранее в этой статье, относится к первой реализация протокола STP, которая была разработана в 1985 году Радией Перлман (ее стихотворение использовано в качестве эпиграфа). В 1990 году эта реализации была включена в стандарт IEEE 802.1D. Тогда время текло медленнее, и перестройка топологии STP, занимающая 30-50 секунд (. ), всех устраивала. Но времена меняются, и через десять лет, в 2001 году, IEEE представляет новый стандарт RSTP (он же 802.1w, он же Rapid Spanning Tree Protocol, он же Быстрый STP). Чтобы структурировать предыдущий материал и посмотреть различия между обычным STP (802.1d) и RSTP (802.1w), соберем таблицу с основными фактами:

Как мы видим, в RSTP остались такие роли портов, как корневой и назначенный, а роль заблокированного разделили на две новых роли: Alternate и Backup. Alternate — это резервный корневой порт, а backup — резервный назначенный порт. Как раз в этой концепции резервных портов и кроется одна из причин быстрого переключения в случае отказа. Это меняет поведение системы в целом: вместо реактивной (которая начинает искать решение проблемы только после того, как она случилась) система становится проактивной, заранее просчитывающей “пути отхода” еще до появления проблемы. Смысл простой: для того, чтобы в случае отказа основного переключится на резервный линк, RSTP не нужно заново просчитывать топологию, он просто переключится на запасной, заранее просчитанный.

Ранее, для того, чтобы убедиться, что порт может участвовать в передаче данных, требовались таймеры, т.е. свич пассивно ждал в течение означенного времени, слушая BPDU. Ключевой фичей RSTP стало введение концепции типов портов, основанных на режиме работы линка- full duplex или half duplex (типы портов p2p или shared, соответственно), а также понятия пограничный порт (тип edge p2p), для конечных устройств. Пограничные порты назначаются, как и раньше, командой spanning-tree portfast, и с ними все понятно- при включении провода сразу переходим к forwarding-состоянию и работаем. Shared-порты работают по старой схеме с прохождением через состояния BLK — LIS — LRN — FWD. А вот на p2p-портах RSTP использует процесс предложения и соглашения (proposal and agreement). Не вдаваясь в подробности, его можно описать так: свич справедливо считает, что если линк работает в режиме полного дуплекса, и он не обозначен, как пограничный, значит, на нем только два устройства- он и другой свич. Вместо того, чтобы ждать входящих BPDU, он сам пытается связаться со свичом на том конце провода с помощью специальных proposal BPDU, в которых, конечно, есть информация о стоимости маршрута к корневому свичу. Второй свич сравнивает полученную информацию со своей текущей, и принимает решение, о чем извещает первый свич посредством agreement BPDU. Так как весь этот процесс теперь не привязан к таймерам, происходит он очень быстро- только подключили новый свич- и он практически сразу вписался в общую топологию и приступил к работе (можете сами оценить скорость переключения в сравнении с обычным STP на видео). В Cisco-мире RSTP называется PVRST (Per-Vlan Rapid Spanning Tree).

Чуть выше, мы упоминали о PVST, в котором для каждого влана существует свой процесс STP. Вланы это довольно удобный инструмент для многих целей, и поэтому, их может быть достаточно много даже в некрупной организации. И в случае PVST, для каждого будет рассчитываться своя топология, тратиться процессорное время и память свичей. А нужно ли нам рассчитывать STP для всех 500 вланов, когда единственное место, где он нам нужен- это резервный линк между двумя свичами? Тут нас выручает MSTP. В нем каждый влан не обязан иметь собственный процесс STP, их можно объединять. Вот у нас есть, например, 500 вланов, и мы хотим балансировать нагрузку так, чтобы половина из них работала по одному линку (второй при этом блокируется и стоит в резерве), а вторая- по другому. Это можно сделать с помощью обычного STP, назначив один корневой свич в диапазоне вланов 1-250, а другой- в диапазоне 250-500. Но процессы будут работать для каждого из пятисот вланов по отдельности (хотя действовать будут совершенно одинаково для каждой половины). Логично, что тут хватит и двух процессов. MSTP позволяет создавать столько процесов STP, сколько у нас логических топологий (в данном примере- 2), и распределять по ним вланы. Думаем, нет особого смысла углубляться в теорию и практику MSTP в рамках этой статьи (ибо теории там ого-го), интересующиеся могут пройти по ссылке.

Агрегация каналов

Но какой бы вариант STP мы не использовали, у нас все равно существует так или иначе неработающий линк. А возможно ли задействовать параллельные линки по полной и при этом избежать петель? Да, отвечаем мы вместе с циской, начиная рассказ о EtherChannel.

Иначе это называется link aggregation, link bundling, NIC teaming, port trunkinkg
Технологии агрегации (объединения) каналов выполняют 2 функции: с одной стороны, это объединение пропускной способности нескольких физических линков, а с другой — обеспечение отказоустойчивости соединения (в случае падения одного линка нагрузка переносится на оставшиеся). Объединение линков можно выполнить как вручную (статическое агрегирование), так и с помощью специальных протоколов: LACP (Link Aggregation Control Protocol) и PAgP (Port Aggregation Protocol). LACP, опеределяемый стандартом IEEE 802.3ad, является открытым стандартом, то есть от вендора оборудования не зависит. Соответственно, PAgP — проприетарная цисковская разработка.
В один такой канал можно объединить до восьми портов. Алгоритм балансировки нагрузки основан на таких параметрах, как IP/MAC-адреса получателей и отправителей и порты. Поэтому в случае возникновения вопроса: “Хей, а чего так плохо балансируется?” в первую очередь смотрите на алгоритм балансировки.

Тема агрегации каналов заслуживает отдельной статьи, а то и книги, поэтому углубляться не будем, интересующимся- ссылка.

Port security

Теперь расскажем вкратце, как обеспечить безопасность сети на втором уровне OSI. В этой части статьи теория и практическая конфигурация совмещены. Увы, Packet Tracer не умеет ничего из упомянутых в этом разделе команд, поэтому все без иллюстраций и проверок.

Для начала, следует упомянуть команду конфигурации интерфейса switchport port-security, включающую защиту на определенном порту свича. Затем, с помощью switchport port-security maximum 1 мы можем ограничить количество mac-адресов, связанных с данным портом (т.е., в нашем примере, на данном порту может работать только один mac-адрес). Теперь указываем, какой именно адрес разрешен: его можно задать вручную switchport port-security mac-address адрес, или использовать волшебную команду switchport port-security mac-address sticky, закрепляющую за портом тот адрес, который в данный момент работает на порту. Далее, задаем поведение в случае нарушения правила switchport port-security violation : порт либо отключается, и потом его нужно поднимать вручную (shutdown), либо отбрасывает пакеты с незарегистрированного мака и пишет об этом в консоль (restrict), либо просто отбрасывает пакеты (protect).

Помимо очевидной цели — ограничение числа устройств за портом — у этой команды есть другая, возможно, более важная: предотвращать атаки. Одна из возможных — истощение CAM-таблицы. С компьютера злодея рассылается огромное число кадров, возможно, широковещательных, с различными значениями в поле MAC-адрес отправителя. Первый же коммутатор на пути начинает их запоминать. Одну тысячу он запомнит, две, но память-то оперативная не резиновая, и среднее ограничение в 16000 записей будет довольно быстро достигнуто. При этом дальнейшее поведение коммутатора может быть различным. И самое опасное из них с точки зрения безопасности: коммутатор может начать все кадры, приходящие на него, рассылать, как широковещательные, потому что MAC-адрес получателя не известен (или уже забыт), а запомнить его уже просто некуда. В этом случае сетевая карта злодея будет получать все кадры, летающие в вашей сети.

DHCP Snooping

Другая возможная атака нацелена на DHCP сервер. Как мы знаем, DHCP обеспечивает клиентские устройства всей нужной информацией для работы в сети: ip-адресом, маской подсети, адресом шюза по умолчанию, DNS-сервера и прочим. Атакующий может поднять собственный DHCP, который в ответ на запрос клиентского устройства будет отдавать в качестве шлюза по умолчанию (а также, например, DNS-сервера) адрес подконтрольной атакующему машины. Соответственно, весь трафик, направленный за пределы подсети обманутыми устройствами, будет доступен для изучения атакующему — типичная man-in-the-middle атака. Либо такой вариант: подлый мошенник генерируют кучу DHCP-запросов с поддельными MAC-адресами и DHCP-сервер на каждый такой запрос выдаёт IP-адрес до тех пор, пока не истощится пул.

Для того, чтобы защититься от подобного вида атак, используется фича под названием DHCP snooping. Идея совсем простая: указать свичу, на каком порту подключен настоящий DHCP-сервер, и разрешить DHCP-ответы только с этого порта, запретив для остальных. Включаем глобально командой ip dhcp snooping, потом говорим, в каких вланах должно работать ip dhcp snooping vlan номер(а). Затем на конкретном порту говорим, что он может пренаправлять DHCP-ответы (такой порт называется доверенным): ip dhcp snooping trust.

IP Source Guard

Dynamic ARP Inspection

Как мы уже знаем, для того, чтобы узнать MAC-адрес устройства по его IP-адресу, используется проткол ARP: посылается широковещательный запрос вида “у кого ip-адрес 172.16.1.15, ответьте 172.16.1.1”, устройство с айпишником 172.16.1.15 отвечает. Подобная схема уязвима для атаки, называемой ARP-poisoning aka ARP-spoofing: вместо настоящего хоста с адресом 172.16.1.15 отвечает хост злоумышленника, заставляя таким образом трафик, предназначенный для 172.16.1.15 следовать через него. Для предотвращения такого типа атак используется фича под названием Dynamic ARP Inspection. Схема работы похожа на схему DHCP-Snooping’а: порты делятся на доверенные и недоверенные, на недоверенных каждый ARP-ответ подвергаются анализу: сверяется информация, содержащаяся в этом пакете, с той, которой свич доверяет (либо статически заданные соответствия MAC-IP, либо информация из базы DHCP Snooping). Если не сходится- пакет отбрасывается и генерируется сообщение в syslog. Включаем в нужном влане (вланах): ip arp inspection vlan номер(а). По умолчанию все порты недоверенные, для доверенных портов используем ip arp inspection trust.

Практика

Наверное, большинство ошибок в Packet Tracer допущено в части кода, отвечающего за симуляцию STP, будте готовы. В случае сомнения сохранитесь, закройте PT и откройте заново

Итак, переходим к практике. Для начала внесем некоторые изменения в топологию — добавим избыточные линки. Учитывая сказанное в самом начале, вполне логично было бы сделать это в московском офисе в районе серверов — там у нас свич msk-arbat-asw2 доступен только через asw1, что не есть гуд. Мы отбираем (пока, позже возместим эту потерю) гигабитный линк, который идет от msk-arbat-dsw1 к msk-arbat-asw3, и подключаем через него asw2. Asw3 пока подключаем в порт Fa0/2 dsw1. Перенастраиваем транки:

msk-arbat-dsw1(config)#interface gi1/2
msk-arbat-dsw1(config-if)#description msk-arbat-asw2
msk-arbat-dsw1(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,3
msk-arbat-dsw1(config-if)#int fa0/2
msk-arbat-dsw1(config-if)#description msk-arbat-asw3
msk-arbat-dsw1(config-if)#switchport mode trunk
msk-arbat-dsw1(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,101-104

msk-arbat-asw2(config)#int gi1/2
msk-arbat-asw2(config-if)#description msk-arbat-dsw1
msk-arbat-asw2(config-if)#switchport mode trunk
msk-arbat-asw2(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,3
msk-arbat-asw2(config-if)#no shutdown

Не забываем вносить все изменения в документацию!

Теперь посмотрим, как в данный момент у нас самонастроился STP. Нас интересует только VLAN0003, где у нас, судя по схеме, петля.

msk-arbat-dsw1>en
msk-arbat-dsw1#show spanning-tree vlan 3

Разбираем по полочкам вывод команды

Итак, мы видим, что Gi1/1 корневой порт, это дает некоторую вероятность того, что на другом конце линка корневой свич. Смотрим по схеме, куда ведет линк: ага, некий msk-arbat-asw1.

Вот он, наш корневой свич для VLAN0003.

А теперь посмотрим на схему. Ранее, мы увидели в состоянии портов, что dsw1 блокирует порт Gi1/2, разрывая таким образом петлю. Но является ли это оптимальным решением? Нет, конечно. Сейчас наша новая сеть работает точь-в-точь как старая- трафик от asw2 идет только через asw1. Выбор корневого маршрутизатора никогда не нужно оставлять на совесть глупого STP. Исходя из схемы, наиболее оптимальным будет выбор в качестве корневого свича dsw1- таким образом, STP заблокирует линк между asw1 и asw2. Теперь это все надо объяснить недалекому протоколу. А для него главное что? Bridge ID. И он неслучайно складывается из двух чисел. Приоритет- это как раз то слагаемое, которое отдано на откуп сетевому инженеру, чтобы он мог повлиять на результат выбора корневого свича. Итак, наша задача сводится к тому, чтобы уменьшить (меньше-лучше, думает STP) приоритет нужного свича, чтобы он стал Root Bridge. Есть два пути:

1) вручную установить приоритет, заведомо меньший, чем текущий:

msk-arbat-dsw1>enable
msk-arbat-dsw1#configure terminal
msk-arbat-dsw1(config)#spanning-tree vlan 3 priority?
bridge priority in increments of 4096
msk-arbat-dsw1(config)#spanning-tree vlan 3 priority 4096

Теперь он стал корневым для влана 3, так как имеет меньший Bridge ID:

msk-arbat-dsw1#show spanning-tree vlan 3
VLAN0003
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 4099
Address 000B.BE2E.392C
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

2) дать умной железке решить все за тебя:

msk-arbat-dsw1(config)#spanning-tree vlan 3 root primary

msk-arbat-dsw1#show spanning-tree vlan 3
VLAN0003
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24579
Address 000B.BE2E.392C
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

Мы видим, что железка поставила какой-то странный приоритет. Откуда взялась эта круглая цифра, спросите вы? А все просто- STP смотрит минимальный приоритет (т.е. тот, который у корневого свича), и уменьшает его на два шага инкремента (который составляет 4096, т.е. в итоге 8192). Почему на два? А чтобы была возможность на другом свиче дать команду spanning-tree vlan n root secondary (назначает приоритет=приоритет корневого-4096), что позволит нам быть уверенными, что, если с текущим корневым свичом что-то произойдет, его функции перейдут к этому, “запасному”. Вероятно, вы уже видите на схеме, как лампочка на линке между asw2 и asw1 пожелтела? Это STP разорвал петлю. Причем именно в том месте, в котором мы хотели. Sweet! Зайдем проверим: лампочка — это лампочка, а конфиг — это факт.

Теперь полюбуемся, как работает STP: заходим в командную строку на ноутбуке PTO1 и начинаем бесконечно пинговать наш почтовый сервер (172.16.0.4). Пинг сейчас идет по маршруту ноутбук-asw3-dsw1-gw1-dsw1(ну тут понятно, зачем он крюк делает — они из разных вланов)-asw2-сервер. А теперь поработаем Годзиллой из SimСity: нарушим связь между dsw1 и asw2, вырвав провод из порта (замечаем время, нужное для пересчета дерева).

Пинги пропадают, STP берется за дело, и за каких-то 30 секунд коннект восстанавливается. Годзиллу прогнали, пожары потушили, связь починили, втыкаем провод обратно. Пинги опять пропадают на 30 секунд! Мда-а-а, как-то не очень быстро, особенно если представить, что это происходит, например, в процессинговом центре какого-нибудь банка.

Но у нас есть ответ медленному PVST+! И ответ этот — Быстрый PVST+ (так и называется, это не шутка: Rapid-PVST). Посмотрим, что он нам дает. Меняем тип STP на всех свичах в москве командой конфигурационного режима: spanning-tree mode rapid-pvst

Снова запускаем пинг, вызываем Годзиллу… Эй, где пропавшие пинги? Их нет, это же Rapid-PVST. Как вы, наверное, помните из теоретической части, эта реализация STP, так сказать, “подстилает соломку” на случай падения основного линка, и переключается на дополнительный (alternate) порт очень быстро, что мы и наблюдали. Ладно, втыкаем провод обратно. Один потерянный пинг. Неплохо по сравнению с 6-8, да?

EtherChannel

Помните, мы отобрали у офисных работников их гигабитный линк и отдали его в пользу серверов? Сейчас они, бедняжки, сидят, на каких-то ста мегабитах, прошлый век! Попробуем расширить канал, и на помощь призовем EtherChannel. В данный момент у нас соединение идет от fa0/2 dsw1 на Gi1/1 asw3, отключаем провод. Смотрим, какие порты можем использовать на asw3: ага, fa0/20-24 свободны, кажется. Вот их и возьмем. Со стороны dsw1 пусть будут fa0/19-23. Соединяем порты для EtherChannel между собой. На asw3 у нас на интерфейсах что-то настроено, обычно в таких случаях используется команда конфигурационного режима default interface range fa0/20-24, сбрасывающая настройки порта (или портов, как в нашем случае) в дефолтные. Packet tracer, увы, не знает такой хорошей команды, поэтому в ручном режиме убираем каждую настройку, и тушим порты (лучше это сделать, во избежание проблем)

msk-arbat-asw3(config)#interface range fa0/20-24
msk-arbat-asw3(config-if-range)#no description
msk-arbat-asw3(config-if-range)#no switchport access vlan
msk-arbat-asw3(config-if-range)#no switchport mode
msk-arbat-asw3(config-if-range)#shutdown

msk-arbat-asw3(config-if-range)#channel-group 1 mode on

msk-arbat-dsw1(config)#interface range fa0/19-23
msk-arbat-dsw1(config-if-range)#channel-group 1 mode on

msk-arbat-asw3(config)#int port-channel 1
msk-arbat-asw3(config-if)#switchport mode trunk
msk-arbat-asw3(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,101-104

Как и с STP, есть некая трудность при работе с etherchannel в Packet Tracer’e. Настроить-то мы, в принципе, можем по вышеописанному сценарию, но вот проверка работоспособности под большим вопросом: после отключения одного из портов в группе, трафик перетекает на следующий, но как только вы вырубаете второй порт — связь теряется и не восстанавливается даже после включения портов.

Отчасти в силу только что озвученной причины, отчасти из-за ограниченности ресурсов мы не сможем раскрыть в полной мере эти вопросы и посему оставляем бОльшую часть на самоизучение.

Материалы выпуска

По сложившейся традиции все неотвеченные вопросы безымянными читателями хабра задаются в блоге цикла в ЖЖ.

За видео и помощь в подготовке статьи спасибо eucariot

Источник