Глава5. 
Протокол Spanning-Tree и VLAN

Протокол Spanning-Tree позволяет иметь избыточные физические связи в мостовых сетях, но иметь только одно физическое соединение, пересылающее фреймы. Этот протокол переводит избыточные физические соединения с сегментом назначения в режим блокирования. Когда происходят события, изменяющие топологию сети, STP протокол производит ре-калькуляцию, какие соединения будут переправлять фреймы, а остальные останутся в заблокированном состоянии. Имеется два главных метода мостового соединения — прозрачное (transparent) и маршрутизируемое источником (source-route). STP протокол используется в прозрачном мостовом соединении для избежания циклов в сетевых сегментах, обеспечивая также избыточность на случай неисправностей.

Прозрачное мостовое соединение в основном используется в окружении Ethernet. Этот метод возлагает ответственность за определение пути от источника к приемнику на мост. Ethernet фреймы не содержат поле RIF информации о маршруте (Routing Information Field) как, например, фреймы Token Ring, поэтому устройства просто посылают фреймы и подразумевают, что они достигнут пункта назначения. Процесс, используемый мостами для переправки фреймов, подобен тому, как работают коммутаторы Уровня 2. Прозрачное объединение проверяет входящие фреймы и запоминает MAC адрес получателя. Мост ищет этот адрес в таблице; Если он нашел его, он переправляет фрейм в соответствующий порт. Если MAC адрес не был найден, он копирует и переправляет фрейм во все порты, кроме того, из которого фрейм пришел.

Соединение, маршрутизируемое источником, используется в окружении Token Ring. Этот метод возлагает ответственность поиска устройства назначения на передающую станцию. Устройство Token Ring посылает тестовый фрейм для определения, располагается ли устройство назначения в локальном кольце. Если не было получено ответа, устройство посылает поисковый фрейм как широковещательный пакет. Широковещательный пакет пересекает сеть через другие мосты и каждый мост добавляет номер кольца и номер моста, в котором это кольцо существует пока фрейм не достигнет получателя. Комбинация номера кольца и номера моста содержится в поле RIF. Устройство-получатель отвечает на поисковый фрейм и, в конечном счете, устройство-источник получает фрейм-ответ. Теперь связи начинается с того, что каждая станция добавляет поле RIF в каждый фрейм. Соединение, маршрутизируемое источником, переправляет фреймы, основываясь на информации поля RIF, и не строит таблицу MAC адресов и портов, так как конечные устройства обеспечивают информацию о пути от источника к приемнику в поле RIF.

Для обсуждения мы рассмотрим проблему, связанную с циклами и прозрачным объединением сетей, так как это наиболее распространено сегодня. Представьте себе два сетевых сегмента, сегмент A и сегмент B с одной рабочей станцией в каждом: станция A и станция B соответственно. Два прозрачных моста присоединены к обоим сегментам A и B, создавая цикл в сети. Станция A посылает широковещательный фрейм для станции B, и оба моста считывают фрейм с их сегмента A и переправляют его в сегмент B. Оба моста связывают адрес станции A с их сегментом A в таблице адресов. Ethernet фрейм имеет адресом источника станцию A и адресом получателя широковещательный адрес. После того, как мосты переправили фрейм в сегмент B, он имеет тот же адрес отправителя и получателя, так как мосты работают на Уровне 2 и не изменяют адресов, когда переправляют фреймы. Фрейм, полученный обоими мостами в сегменте B, аккуратно переправляется назад в сегмент A, так как моты переправляют фреймы на все остальные порты. В дополнение, мосты обновляют их таблицы, связывая адрес станции A с их интерфейсом сегмента B. Мосты будут продолжать переправлять эти фреймы снова и снова. Очевидно, что это приведет к снижению производительности сети, так как каждое устройство в сети будет обрабатывать эти фреймы снова и снова, теряя процессорное время на каждом устройстве и уменьшая пропускную способность сети.

Главной причиной разработки протокола Spanning-Tree Protocol было устранение циклов в сети. Протокол Spanning-Tree гарантирует отсутствие циклов, блокируя один из портов моста («blocking mode»), предотвращая передачу пакетов. Обратите внимание, что блокировка может быть снята, если текущий активный порт переходит в нерабочее состояние. Когда происходит изменение топологии сети, мост производит ре-калькуляцию состояния, рассылая пакеты BPDU (Bridge Protocol Data Units). При помощи BPDU, мосты обмениваются информацией, определяя, какие порты нужно блокировать.

Сейчас, когда мы понимаем основы Spanning Tree, как это относится к коммутаторам. Коммутаторы функционируют подобно мостам, поэтому каждый коммутатор принимает участие в процессе spanning-tree, если это не отключено в конфигурации. Вы должны иметь достаточно оснований для того, чтобы запретить обработку spanning tree на вашем коммутатору, так как это может вызвать серьезные проблемы. Коммутаторы гарантируют отсутствие циклов в топологии, используя алгоритм spanning-tree (STA). Алгоритм spanning-tree осуществляет топологию без циклов для каждой сети VLAN, настроенной в вашем коммутаторе. Поэтому присоединение любых сетевых устройств (кроме серверов или рабочих станций) может вызвать цикл в вашей сети, если запрещена обработка протокола spanning-tree. Главная проблема, создаваемая циклами в сети, это широковещательный шторм (broadcast storm). Это состояние сети, когда коммутаторы или мосты продолжают переправлять широковещательные пакеты во все подключенные порты; другие коммутаторы и мосты, присоединенные в ту же сеть, создавая цикл, продолжают переправлять те же фреймы назад в посылающий коммутатор или мост. Эта проблема сильно уменьшает производительность сети, так как сетевые устройства постоянно заняты копированием широковещательных пакетов во все порты.