Организация администрирования компьютерных систем (тема 4)

В настоящее время для повышения надежности и производительно­сти каналов связи в распоряжении интеграторов и сетевых администрато­ров имеется целый набор протоколов и функций.
Наиболее распростра­ненным является создание резервных связей между коммутаторами на ос­нове двух технологий:
резервирование соединений с помощью протоколов семейства Spanning Tree;
балансировка нагрузки, обеспечивающая параллельную передачу данных по всем альтернативным соединениям с помощью меха­низма агрегирования портов.

4.1. Протоколы Spanning Tree
Протокол связующего дерева Spanning Tree Protocol (STP) является протоколом 2 уровня модели OSI, который позволяет строить древовид­ные, свободные от петель, конфигурации связей между коммутаторами локальной сети.
Помимо этого, алгоритм обеспечивает возможность автоматического резервирования альтернативных каналов связи между коммутаторами на случай выхода активных каналов из строя.
В настоящее время существуют следующие версии протоколов связующего дерева:
IEEE 802.1D Spanning Tree Protocol (STP);
IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP);
IEEE 802.1s Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP).

Spanning Tree Protocol (STP)
Если для обеспечения избыточности между коммутаторами создает­ся несколько соединений, то могут возникать коммутационные петли. Петля предполагает существование нескольких маршрутов по промежу­точным сетям, а сеть с несколькими маршрутами между источником и приемником отличается повышенной отказоустойчивостью. Хотя нали­чие избыточных каналов связи очень полезно, петли, тем не менее, созда­ют проблемы, самые актуальные из которых:
широковещательные штормы;
множественные копии кадров;
множественные петли.
Для решения этих проблем и был разработан протокол связующего дерева, который был определен в стандарте IEEE 802.1D-1998.
Коммутаторы, поддерживающие протокол STP, автоматически со­здают древовидную конфигурацию связей без петель в компьютерной сети. Такая конфигурация называется связующим деревом — Spanning Tree (иногда ее называют остовым или покрывающим деревом). Конфигура­ция связующего дерева строится коммутаторами автоматически с исполь­зованием обмена служебными кадрами, называемыми Bridge Protocol Data Units (BPDU)

Широковещательный шторм
Распространение широковещательных сообщений в сетях с петлями представляет серьезную проблему. Предположим, что первый кадр, по­ступивший от одного из узлов, является широковещательным. Тогда все коммутаторы будут пересылать кадры бесконечно (пример 1), используя всю доступную полосу пропускания сети и блоки­руя передачу других кадров во всех сегментах.

Множественные копии кадров
Еще одна проблема заключается в том, что коммутатор нередко полу­чает несколько копий одного кадра, одновременно приходящих из несколь­ких участков сети.
В этом случае таблица коммутации не сможет определить расположение устройства, потому что коммутатор будет получать кадр из нескольких каналов. Может случиться так, что коммутатор вообще не смо­жет переслать кадр, т.к. будет постоянно обновлять таблицу коммутации.

Множественные петли
Одна из самых сложных проблем — это множественные петли, обра­зующиеся в объединенной сети. Возможно появление петли внутри дру­гих петель. Если за этим последует широковещательный шторм, то сеть не сможет выполнять коммутацию кадров

Построение активной топологии связующего дерева
Для построения устойчивой активной топологии с помощью протоко­ла STP необходимо с каждым коммутатором сети ассоциировать уникаль­ный идентификатор моста (Bridge ID), а с каждым портом коммутатора ас­социировать стоимость пути (Path Cost) и идентификатор порта (Port ID).
Реализуется в три этапа:
Вычисление связующего дерева
Выбор корневых портов (Root Port).
Определение назначенных портов (Designated Port)

Процесс вычисления связующего дерева
Процесс вычисления связующего дерева начинается с выбора корне­вого моста (Root Bridge), от которого будет строиться дерево. В качестве корня дерева выбирается коммутатор с наименьшим значением иденти­фикатора моста. Идентификатор моста — это 8-байтное поле, которое со­стоит из 2-х частей: приоритета моста (2 байта), назначаемого админист­ратором сети, и МАС-адреса блока управления коммутатора (6 байт). При сравнении идентификаторов двух коммутаторов сначала сравнива­ются значения приоритетов. Корневым мостом становится коммутатор с наименьшим значением приоритета. Если они одинаковы (по умолча­нию приоритет равен 32768), то корневой мост определяется по наимень­шему МАС-адресу.
Для того чтобы в качестве корневого моста было выбрано опреде­ленное устройство (исходя из структуры сети), администратор может вручную назначить соответствующему коммутатору наименьший при­оритет.

Пример функционирования протокола STP

Выбор корневых портов
Второй этап работы STP — выбор корневых портов (Root Port).
Когда процесс выбора корневого моста завершен, оставшиеся ком­мутаторы сети определяют стоимость каждого возможного пути от себя до корня дерева. Стоимость пути рассчитывается как суммарное условное вре­мя на передачу данных от порта данного коммутатора до порта корневого моста. Условное время сегмента рассчитывается как время передачи од­ного бита информации через канал с определенной полосой пропуска­ния. Стоимости пути по умолчанию для каждого канала определены в стандарте IEEE 802.1D-1998.
Сравнив стоимости всех возможных маршрутов до корня, каждый коммутатор выбирает среди них один с наименьшим значением стоимос­ти. Порт, соединяющий коммутатор с этим маршрутом, становится кор­невым портом. В случае если минимальные стоимости пути нескольких маршрутов окажутся одинаковыми, корневым портом станет порт, имею­щий наименьшее значение идентификатора порта.

Определение назначенных портов
Третий шаг работы STP — определение назначенных портов (Designated Port).
Каждый сегмент в коммутируемой сети имеет один назначенный порт. Этот порт функционирует как единственный порт моста, т.е. прини­мает кадры от сегмента и передает их в направлении корневого моста че­рез корневой порт данного коммутатора. Коммутатор, содержащий на­значенный порт для данного сегмента, называется назначенным мостом (Designated Bridge) этого сегмента. Назначенный порт сегмента определя­ется путем сравнения значений стоимости пути всех маршрутов от данно­го сегмента до корневого моста. Им становится порт, имеющий наимень­шее значение стоимости, среди всех портов, подключенных к данному сегменту. Если минимальные значения стоимости пути окажутся одина­ковыми у двух или нескольких портов, то для выбора назначенного порта сегмента STP принимает решение на основе последовательного сравне­ния идентификаторов мостов и идентификаторов портов.
У корневого моста все порты являются назначенными, а их расстояние до корня полагается равным нулю. Корневого порта у корневого моста нет.
После выбора корневых и назначенных портов все остальные порты коммутаторов сети переводятся в состояние Blocking («Блокировка»), то есть такое, при котором они принимают и передают только кадры BPDU. При таком выборе активных портов в сети исключаются петли, и остав­шиеся связи образуют связующее дерево.

Bridge Protocol Data Unit (BPDU)
Вычисление связующего дерева происходит при включении комму­татора и при изменении топологии. Эти вычисления требуют периодиче­ского обмена информацией между коммутаторами связующего дерева, что достигается при помощи специальных кадров, называемых блоками данных протокола моста — BPDU (Bridge Protocol Data Unit).
Коммутатор отправляет BPDU, используя уникальный МАС-адрес порта в качестве адреса-источника и многоадресный МАС-адрес протокола STP 01-80-C2-00-00-00 в качестве адреса-приемника. Кадры BPDU помеща­ются в поле данных кадров канального уровня, например, кадров Ethernet.
Внимание: иногда, с целью повышения безопасности, сетевым адми­нистраторам необходимо отключать возможность передачи кадров BPDU на граничные коммутаторы сети, чтобы избежать получения случайных кадров BPDU клиентскими портами, которые могут рас­пространить вычисления STP по клиентским сетям. Управляемые коммутаторы D-Link поддерживают возможность включения и от­ключения передачи кадров BPDU для каждого порта

Типы кадров BPDU
Существует три типа кадров BPDU:
Configuration BPDU (CBPDU) — конфигурационный кадр BPDU, который используется для вычисления связующего дерева (тип сообщения: 0x00);
Topology Change Notification (TCN) BPDU — уведомление об изменении топологии сети (тип сообщения: 0x80);
Topology Change Notification Acknowledgement (TCA) — подтверждение о получении уведомления об изменении топологии сети.
Коммутаторы обмениваются BPDU через равные интервалы времени (по умолчанию 2 сек.), что позволяет им отслеживать состояние топологии сети.

Формат кадра BPDU

Поля кадра BPDU
идентификатор протокола (Protocol Identifier) — 2 байта. Значение всегда равно 0;
версия протокола STP (Protocol Version Identifier) — 1 байт. Значение всегда равно 0;
тип BPDU (BPDU Type) — 1 байт. Значение «00» — конфигураци­онный BPDU, «01» — изменение топологии;
флаги (Flags) — 1 байт. Бит 1 — флаг изменения топологии, бит 8 — флаг подтверждения изменения топологии;
идентификатор корневого моста (Root Identifier) — 8 байтов. Идентификатор текущего корневого моста;
расстояние до корневого моста (Root Path Cost) — 2 байта. Сум­марная стоимость пути до корневого моста;
идентификатор моста (Bridge Identifier) — 8 байтов. Идентифика­тор текущего моста;
идентификатор порта (Port Identifier) — 2 байта. Уникальный идентификатор порта, который отправил этот BPDU;

Поля кадра BPDU
время жизни сообщения (Message Age) — 2 байта. Нефиксирован­ный временной интервал в секундах, прошедший с момента от­правки BPDU корневым мостом. Служит для выявления устарев­ших сообщений BPDU. Первоначальное значение равно нулю. По мере передачи кадра BPDU по сети каждый коммутатор добав­ляет ко времени жизни сообщения время его задержки данным коммутатором. По умолчанию оно равно 1 сек. Значение параме­тра Message Age должно быть меньше значения таймера Max Age;
максимальное время жизни сообщения (Max Age) — 2 байта. Вре­менной интервал в секундах, определяющий максимальное время хранения конфигурации STP, прежде чем коммутатор ее отбросит;
время приветствия (Hello Time) — 2 байта. Временной интервал в секундах, через который посылаются кадры BPDU;
задержка смены состояний (Forward Delay) — 2 байта. Временной интервал в секундах, в течение которого порт коммутатора нахо­дится в состояниях «Прослушивание» и «Обучение».

Состояния портов

Состояния портов
Blocking («Блокировка») — при инициализации коммутатора все порты (за исключением отключенных) автоматически переводят­ся в состояние «Заблокирован». В этом случае порт принимает и обрабатывает только кадры BPDU. Все остальные кадры отбрасы­ваются;
Listening («Прослушивание») — в этом состоянии порт продолжа­ет принимать, обрабатывать и ретранслировать только кадры BPDU. Из этого состояния порт может перейти в состояние «За­блокирован», если получит BPDU с лучшими параметрами, чем его собственные (стоимость пути, идентификатор моста или пор­та). В противном случае, при истечении периода, установленного таймером задержки смены состояний (Forward Delay), порт перей­дет в следующее состояние «Обучение»;
Learning («Обучение») — порт начинает принимать все кадры и на основе МАС-адресов источника строить таблицу коммутации. Порт в этом состоянии все еще не продвигает кадры. Порт про­должает участвовать в работе алгоритма STP и при поступлении BPDU с лучшими параметрами переходит в состояние «Заблоки­рован». В противном случае, при истечении периода, установлен­ного таймером задержки смены состояний, порт перейдет в следу­ющее состояние «Продвижение»;

Состояния портов
Forwarding («Продвижение») — в этом состоянии порт может обра­батывать кадры данных в соответствии с построенной таблицей коммутации. Также продолжают приниматься, передаваться и об­рабатываться кадры BPDU;
Disable («Отключен») — в это состояние порт переводит админис­тратор. Отключенный порт не участвует ни в работе протокола STP, ни в продвижении кадров данных. Порт можно также вруч­ную включить, и первоначально он перейдет в состояние «Забло­кирован».
В процессе нормальной работы корневой мост продолжает генери­ровать служебные кадры BPDU, а остальные коммутаторы продолжают их принимать своими корневыми портами и ретранслировать назначен­ными. Если по истечении максимального времени жизни сообщения (по умолчанию — 20 секунд) корневой порт любого коммутатора сети не по­лучит служебный кадр BPDU, то он инициализирует новую процедуру построения связующего дерева.

Таймеры STP (используются
для того, чтобы все коммутаторы сети имели возможность получить точную информацию о конфигурации связующего дерева)
Hello Time — это интервал времени, через который корневой мост отправляет конфигурационные BPDU. Значение таймера Hello Time, настроенное на корневом мосте, будет определять значения таймеров Hello Time на всех некорневых коммутаторах, т.к. они просто пересылают конфигурационные BPDU, когда получают их от корня. Значение таймера Hello Time по умолчанию 2 секунды: диапазон возможных значений от 1 до 10 секунд.
Forward Delay — это интервал времени, в течение которого порт коммутатора находится в состояниях «Прослушивание» и «Обуче­ние». Такая задержка смены состояний необходима, чтобы исклю­чить возможность временного возникновения альтернативных маршрутов при неодновременной смене состояний портов во вре­мя реконфигурации. Значение таймера Forward Delay по умолча­нию 15 секунд. диапазон возможных значений от 4 до 30 секунд.

Таймеры STP
Max Age — это интервал времени, в течение которого коммутатор хранит параметры текущей конфигурации связующего дерева. Значение таймера Max Age устанавливается корневым мостом и позволяет гарантировать, что все коммутаторы сети обладают одинаковой информацией о времени хранения конфигурации STP. Если период времени, определенный таймером, истек, а ком­мутатор за это время не получил кадр BPDU от корневого моста, то он начинает считать себя корневым мостом и рассылает свои собственные BPDU всем коммутаторам сети, инициируя новую процедуру построения связующего дерева. Значение таймера Max Age по умолчанию 20 секунд, диапазон возможных значений от 6 до 40 секунд.
Значения таймеров Hello Time, Forward Delay и Max Age могут быть вручную настроены администратором сети на коммутаторе. Обычно эти настройки выполняются только на коммутаторе, являющемся корневым для данной топологии связующего дерева. При настройке важно по­мнить, что неправильно подобранные значения таймеров могут значи­тельно увеличить время сходимости топологии STP и снизить производи­тельность сети, поэтому рекомендуется использовать значения таймеров по умолчанию.

Изменение топологии
Коммутатор отправляет BPDU с уведомлением об изменении топо­логии (Topology Change Notification BPDU, TCN BPDU) в случае возник­новения одного из следующих событий:
некорневой мост получает сообщение TCN BPDU на свой назна­ченный порт;
после истечения времени, определенного таймером Forward Delay, порт переходит в состояние Forwarding, но коммутатор уже имеет назначенный порт для данного сегмента;
порт, находившийся в состоянии Forwarding или Listening, перехо­дит в состояние Blocking (в случае проблем с каналом связи);
когда коммутатор становится корневым мостом.

Процесс уведомления об изменении топологии

Изменение топологии
TCN BPDU отправляется коммутатором в тот сегмент сети, к кото­рому подключен его корневой порт. Эти BPDU будут передаваться через интервал Hello до тех пор, пока коммутатор не получит подтверждение Topology Change Notification Acknowledgement (TCN-ACK) от вышестоя­щего коммутатора. Соседний коммутатор продолжит трансляцию TCN BPDU через свой корневой порт в направлении корневого моста сети, ис­пользуя такую же процедуру. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока TCN BPDU не достигнет корневого моста.
Когда корневой мост получает TCN BPDU или сам изменяет топо­логию, он устанавливает во всех передаваемых конфигурационных BPDU флаг изменения топологии (Topology Change, TC) на период времени, равный сумме значений таймеров Forward Delay и Max Age. Когда ниже­лежащие коммутаторы получат конфигурационные BPDU с флагом Topology Change, они установят значения таймеров старения записей ад­ресных таблиц (Aging Timer) равными длительности таймера задержки пе­редачи Forward Delay.
Управляемые коммутаторы D-Link при настройке функции STP позволяют включать и отключать на каждом порте возможность приема TCN BPDU с помощью параметра restricted_tcn. По умолчанию пара­метр restricted_tcn отключен. Использование данного параметра позво­ляет избежать сетевых атак, связанных с отправкой ложных кадров TCN BPDU.

Настройка STP на коммутаторах D-Link (Внимание: по умолчанию протокол STP на коммутаторах D-Link от­ключен)

Настройка коммутаторов
Настройка коммутатора 1
Активизировать STP
enable stp
config stp version stp
Установить коммутатору 1 наименьшее значение приоритета, что­бы он был выбран корневым мостом (приоритет по умолчанию равен 32768)
config stp priority 4096 instance_id 0
Настроить порты STP
config stp ports 1-24 edge true
Настройка коммутатора 2
enable stp
config stp version stp config stp ports 1-24 edge true

4.3. Rapid Spanning Tree Protocol
Протокол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) является развитием протокола STP и в настоящее время определен в стандарте IEEE 802.1D-2004 (ранее был определен в стандарте IEEE 802.1w-2001). Он был разработан для преодоления отдельных ограничений протокола STP, связанных с его производительностью. Протокол RSTP значительно ускоряет время схо­димости коммутируемой сети за счет мгновенного перехода корневых и назначенных портов в состояние продвижения.
RSTP может работать с оборудованием, поддерживающим STP, од­нако все преимущества от его использования будут потеряны.

Состояния портов протоколов STP и RSTP
Основные понятия и терминология протоколов STP и RSTP одина­ковы (рис.4.7, табл. 4.1). Существенным их отличием является способ перехода портов в со­стояние продвижения и то, каким образом этот переход влияет на роль порта в топологии. RSTP объединяет состояния Disabled, Blocking и Listening, используемые в STP, и создает единственное состояние Discarding («Отбрасывание»), при котором порт не активен.

Различия между состояниями портов в STP и RSTP

Роли портов
корневой порт (Root Port) — это порт коммутатора, который имеет по сети крат­чайшее расстояние (в терминах стоимости пути) до корневого коммута­тора;
назначенный порт (Designated Port). Порт является назначенным, если он посылает BPDU с наилучшими параметрами в тот сегмент, к которому подключен. Роли «корневой порт» и «назначенный порт» включают порт в ак­тивную топологию;
альтернативный порт (Alternate Port) предлагает альтернативный основному марш­руту путь в направлении корневого моста и может заменить корневой порт в случае выхода его из строя;
резервный порт (Backup Port) предназначен для резервирования пути, предостав­ляемого назначенным портом в направлении сегментов сети, и не может гарантировать альтернативное подключение к корневому мосту. Резервные порты существуют только в конфигурациях, где есть два или более соединения данного моста с данной сетью (сегментом сети)
В RSTP существуют две дополнительные роли — альтернативный порт (Alternate) и резервный порт (Backup), соответствующие состоянию «Заблокирован» в STP и исключающие порт из активной топологии

Корневой порт (слева) и
назначенный порт (справа)

Альтернативный порт (слева) и
резервный порт (справа)

Формат кадра BPDU протокола RSTP

Формат BPDU
поля версии протокола и типа BPDU RSTP содержат значение 2;
в поле Flag BPDU протокола STP используются только два бита, которые определяют флаги изменения топологии TC и подтверж­дения TC (TCA). В поле Flag протокола RSTP используются все 8 бит. Бит 1 — флаг изменения топологии (Topology Change), бит 2 — флаг предложения (Proposal), биты 3 и 4 предназначены для коди­рования роли порта (Port Role), бит 5 — флаг изучения (Learning), бит 6 — флаг продвижения (Forwarding), бит 7 — флаг соглашения (Agreement), бит 8 — флаг подтверждения TC (Topology Change Acknowledgment).
кадр BPDU протокола RSTP имеет дополнительное поле Version 1 Length длиной 1 байт. Это поле содержит значение 0000 0000 и по­казывает, что BPDU не содержит никакой информации протоко­ла STP версии 1.

Быстрый переход в состояние продвижения
Процесс построения связующего дерева у протоколов STP и RSTP одинаков. Однако при работе RSTP порт может перейти в состояние про­движения значительно быстрее, т.к. он больше не зависит от настроек таймеров. Протокол RSTP предоставляет механизм предложений и согла­шений, который обеспечивает быстрый переход корневых и назначенных портов в состояние Forwarding, а альтернативных и резервных портов в состояние Discarding. Для этого протокол RSTP вводит два новых поня­тия: граничный порт и тип соединения.
Граничным портом (Edge Port) объявляется порт, непосредственно подключенный к сегменту сети, в котором не могут быть созданы петли. Например, порт подключен к рабочей станции, которая может периоди­чески включаться или выключаться и активизировать механизм уведом­ления об изменении топологии или чтобы избежать распространения вы­числений STP по клиентским сетям, с целью повышения безопасности. Граничный порт мгновенно переходит в состояние продвижения, минуя состояния прослушивания и обучения. Граничный порт теряет свой ста­тус и становится обычным портом связующего дерева в том случае, если получит кадр BPDU.
При работе протокола RSTP назначенный порт может выполнять быстрый переход в состояние продвижения в соединениях типа «точка — точка» (Point-to-Point, P2P), т.е. если он подключен только к одному ком­мутатору

Граничные порты и порты «точка — точка»

Порты, удовлетворяющие, по крайней мере, одному из следующих ус­ловий, автоматически рассматриваются протоколом RSTP как порты Р2Р:
порт принадлежит агрегированному каналу связи;
на порте включена функция автосогласования и она определила работу в полнодуплексном режиме;
работа в полнодуплексном режиме на порте была настроена вруч­ную администратором сети.
Администратор сети может вручную включать или выключать стату­сы Edge и P2P либо устанавливать их работу в автоматическом режиме, выполнив соответствующие настройки порта коммутатора.

Механизм предложений и соглашений

Механизм предложений и соглашений
Коммутаторы А и В соединены между собой каналом типа «точка — точка». Предположим, что коммутатор А является корневым мос­том сети. Коммутатор А посылает коммутатору В кадр BPDU с установленным флагом Proposal (шаг 1), предлагая себя в качестве назначенного моста этого сегмента (BPDU-предложение будет передаваться только в том случае, если порт находится в состоянии Discarding или Learning). После получения предложения коммутатор В выберет в качест­ве нового корневого порта тот порт, через который этот BPDU был полу­чен (порт р2), и переведет все неграничные порты в заблокированное состояние. Все остальные порты будут синхронизированы с новой информа­цией, чтобы иметь непротиворечивую информацию о топологии сети.
Порт является синхронизированным «in-sync», если он удовлетворя­ет следующим критериям:
он находится в заблокированном состоянии (это состояние Discarding в стабильной топологии);
он является граничным портом.

Механизм предложений и соглашений
Чтобы продемонстрировать действие метода синхронизации на раз­личные типы портов, предположим, что в коммутаторе В имеются гра­ничные порты р3 и р5 и назначенный порт p4. Порты р3 и р5 уже удовле­творяют одному из условий синхронизации. Чтобы находиться в режиме синхронизации (шаг 2), коммутатору В необходимо заблоки­ровать порт р4, переведя его в состояние Discarding.
После того, как коммутатор В убедится, что все порты синхронизи­рованы, он разблокирует свой новый корневой порт (шаг 3) и отправит через него коммутатору А согласие на предложение. Это сооб­щение является копией BPDU-предложения, в котором вместо бита Proposal установлен бит Agreement. Благодаря этому порт р1 коммутатора А точно знает, какому предложению соответствует полученное согласие. После этого коммутатор А мгновенно переведет свой назначенный порт р1 в состояние продвижения.
Находясь в заблокированном состоянии порт р4 коммутатора В нач­нет отсылать предложения нижележащему коммутатору и пытаться быст­ро перейти в состояние продвижения (шаг 4).

Новый механизм изменения топологии
1. Определение изменений топологии.
В протоколе RSTP только неграничные порты, переходя в состояние продвижения, могут вызвать процесс изменения топологии. Это означает, что разрыв соединения больше не рассматривается как изменение в тополо­гии, в отличие от протокола STP, т.е. при переходе порта в заблокированное состояние соответствующий коммутатор не генерирует TCN BPDU. Когда мост RSTP обнаруживает изменение топологии, происходит следующее:
коммутатор устанавливает начальное значение таймера TC While равным удвоенному интервалу Hello для всех неграничных назна­ченных портов и корневого порта. While Timer — это интервал вре­мени, в течение которого мост RSTP активно информирует ос­тальные мосты в сети об изменении топологии;
удаляет МАС-адреса, ассоциированные со всеми неграничными назначенными портами и корневым портом;
до тех пор, пока не истечет время, установленное таймером TC While, запущенным на порте, в BPDU, отправляемых через него, будет установлен бит ТС.

Новый механизм изменения топологии

Новый механизм изменения топологии
2. Распространение информации об изменении топологии.
Когда коммутатор получает от соседа BPDU с установленным битом ТС, происходит следующее:
коммутатор удаляет все МАС-адреса, изученные его неграничными назначенными портами и корневым портом, за исключением того порта, который получил информацию об изменении топологии;
коммутатор запускает таймер TC While и отправляет BPDU с установ­ленным битом ТС через все неграничные порты (RSTP не использует специальные TCN BPDU, за исключением случаев, когда требуется уведомить коммутатор, поддерживающий только протокол STP).
Коммутатор-отправитель BPDU с битом ТС непосредственно распространяет информацию об изменении топологии через всю сеть (в отличие от STP, где это может выполнить только корневой мост). Этот механизм распространения информации об изменении топологии быстрее, чем его аналог в протоколе STP, т.к. нет необходимости ждать, когда будет уведомлен корневой мост, и потом поддерживать состояние изменения топологии для всей сети в течение периода времени, равного сумме значений таймеров Forward Delay и Max Age.

Стоимость пути RSTP.
Протокол RSTP определяет следующие рекомендованные значения сто­имости пути по умолчанию для портов коммутаторов.

Совместимость с STP
Протокол RSTP может взаимодействовать с оборудованием, поддер­живающим STP, и, если необходимо, автоматически преобразовывать ка­дры BPDU в формат 802.1D. Однако преимущество быстрой сходимости RSTP (когда все коммутаторы быстро переходят в состояние пересылки или блокировки и обладают тождественной информацией) теряется.

Совместимость с STP
Каждый порт хранит переменную, определяющую тип протокола, используемого в соответствующем сегменте. При включении порта акти­визируется таймер задержки миграции (Migration delay timer) длительнос­тью 3 секунды. При запуске этого таймера текущий режим (STP или RSTP) ассоциированный с портом, блокируется. Как только истечет время за­держки миграции, порт начнет работать в режиме, соответствующем типу следующего полученного им BPDU. Если в результате получения BPDU порт изменил свой режим работы, таймер задержки миграции запускается вновь, что позволяет ограничить частоту возможной смены режимов.
Предположим, что коммутаторы А и В работают в режиме RSTP. Коммутатор А является выделенным мостом этого сегмента. К су­ществующему каналу связи подключается коммутатор С, который явля­ется коммутатором с поддержкой протокола STP. Так как коммутаторы STP игнорируют BPDU протокола RSTP и отбрасывают их, то коммута­тор С считает, что в этом сегменте сети больше коммутаторов нет и начи­нает отправлять BPDU формата 802.1D.

Совместимость с STP
Коммутатор А получает эти BPDU и после истечения периода време­ни, установленного таймером задержки миграции, переходит на этом порте в режим работы STP. В результате коммутатор С начинает понимать BPDU коммутатора А и признает его назначенным коммутатором этого сегмента.
Следует отметить, что если бы в этом частном случае коммутатор С был удален из сегмента, то коммутатор А остался бы работать в режиме STP на этом порте, хотя он мог бы эффективно работать в режиме RSTP со своим единственным соседом коммутатором В. Т.е. у коммутатора А нет возмож­ности узнать, что коммутатор С удален из этого сегмента. В этом частном случае для перезагрузки протокола, используемого на порте коммутатора, требуется вмешательство администратора сети. Когда порт находится в ре­жиме, совместимом с 802.1D, он также может обрабатывать уведомления об изменении топологии TCN BPDU с установленными битами ТС и ТСА.

Настройка RSTP
(настройка на коммутаторах D-Link аналогична на­стройке протокола STP)

Настройка коммутаторов
Настройка коммутатора 1
Активизировать RSTP
enable stp
config stp version rstp
Установить коммутатору 1 наименьшее значение приоритета, что­бы он был выбран корневым мостом (приоритет по умолчанию равен 32768)
config stp priority 4096 instance_id 0
Настроить граничные порты RSTP
config stp ports 1-24 edge true
Настройка коммутатора 2
enable stp
config stp version rstp
config stp ports 1-24 edge true

4.4. Multiple Spanning Tree Protocol
Несмотря на то, что протокол RSTP обеспечивает быструю сходи­мость сети, он так же, как и протокол STP, обладает следующим недостат­ком — не поддерживает возможность создания отдельного связующего де­рева для каждой VLAN, настроенной в сети. Это означает, что резервные каналы связи не могут блокироваться на основе VLAN и все VLAN образу­ют одну логическую топологию, не обладающую достаточной гибкостью.
Протокол Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP), являющийся рас­ширением протокола RSTP, преодолевает это ограничение. В дополнение к обеспечению быстрой сходимости сети он позволяет настраивать от­дельное связующее дерево для любой VLAN или группы VLAN, создавая множество маршрутов передачи трафика и позволяя осуществлять балан­сировку нагрузки. Первоначально протокол MSTP был определен в стан­дарте IEEE 802.1s, но позднее был добавлен в стандарт IEEE 802.1Q-2003. Протокол MSTP обратно совместим с протоколами STP и RSTP.

Логическая структура MSTP
Протокол MSTP делит коммутируемую сеть на регионы MST (Multiple Spanning Tree (MST) Region), каждый из которых может содержать множество копий связующих деревьев (Multiple Spanning Tree Instance, MSTI) с независимой друг от друга топологией. Другими словами, регион MST, представляющий собой набор физически подключенных друг к дру­гу коммутаторов, делит данную физическую топологию на множество ло­гических (следующий слайд № 53)
Для того чтобы два и более коммутатора принадлежали одному реги­ону MST, они должны обладать одинаковой конфигурацией MST (слайд 54). Конфигурация MST включает такие параметры, как номер ревизии MSTP (MSTP revision level number), имя региона (Region name), карту при­вязки VLAN к копии связующего дерева (VLAN-to-instance mapping).
Внутри коммутируемой сети может быть создано множество MST- регионов (слайд 55)

Физическая и логическая топология региона MST

Регион MST

Логическая структура MSTP

Протокол MSTP определяет следующие типы связующих деревьев:
Internal Spanning Tree (IST) — специальная копия связующего дерева, которая по умолчанию существует в каждом MST-регионе. IST присвоен номер 0 (Instance 0). Она может отправлять и получать кадры BPDU и служит для управления топологией внутри ре­гиона. По умолчанию все VLAN одного региона привязаны к IST. Если в регионе создано несколько MSTI, то VLAN, не ассоциированные с ними, остаются привязанными к IST. Динамические VLAN, созданные с помощью протокола GVRP, также ассоциируются с IST;
Common Spanning Tree (CST) — единое связующее дерево, вычисленное с использованием протоколов STP, RSTP, MSTP и объединяющее все регионы MST и мосты SST (Single Spanning Tree (SST) Bridge);
Common and Internal Spanning Tree (CIST) — единое связующее де­рево, объединяющее CST и IST каждого MST-региона;
Single Spanning Tree (SST) Bridge — мост, поддерживающий только- единственное связующее дерево, CST. Это единственное связую­щее дерево может поддерживать протокол STP или протокол RSTP.

Multiple Spanning Tree Instance (MSTI)
По умолчанию все VLAN данного MST-региона назначены в IST. Помимо IST, в каждом MST-регионе может быть дополнительно создано множество связующих деревьев с независимой друг от друга архитектурой — MSTI. К каждой MSTI администратор сети может вручную привязать со­ответствующие сети VLAN.
MSTI обладают следующими характеристиками:
MSTI является копией связующего дерева, существующей только внутри региона;
MSTI не может отправлять BPDU за пределы своего региона (от­правлять и получать BDPU может только IST);
все MSTI внутри региона могут нумероваться 1, 2, 3, 4 и т.д. (мак­симальное количество MSTI зависит от модели коммутатора и версии программного обеспечения);
MSTI не отправляет индивидуальные BPDU. Вся информация о данной MSTI помещается в конфигурационное сообщение MSTI (MSTI Configuration Message, M-record), которое инкапсулируется в кадры MSTP BPDU, рассылаемые IST.
Для того чтобы каждая MSTI представляла собой отдельную от IST логическую топологию, администратор сети может присвоить коммута­торам и портам внутри MSTI собственные значения приоритетов и стои­мости пути.

Формат MSTP BPDU
Роли портов MSTP
Формат MSTP BPDU аналогичен формату RSTP BPDU, за исключением полей, предназначенных для передачи информации об IST, каждой MSTI (если они созданы в регионе) и конфигурации MST.
Протокол MSTP определяет роли портов, которые участвуют в про­цессе вычисления активной топологии CIST и MSTI, аналогичные прото­колам STP и RSTP (рис. 4.21):
корневой порт (Root Port);
назначенный порт (Designated Port);
альтернативный/резервный порт (Alternate/Backup Port).
Дополнительно в MSTI используется еще одна роль, которая может быть присвоена порту, — мастер-порт (Master Port).

Роли портов CIST определяют роли каждого порта коммутатора, участвующего в построении активной топологии CIST.
Корневой порт (Root Port) — это порт, который обладает минимальной стоимостью пути от коммутатора до корневого моста CIST (в случае если мост не является CIST Root) через региональный мост (в том случае, если коммутатор не является региональным корнем CIST).
Назначенный порт (Designated Port) — это порт, обладающий наимень­шей стоимостью пути от подключенного сегмента сети до корневого мос­та CIST.
Альтернативный/резервный порт (Alternate/Backup Port) — это порт, ко­торый обеспечивает подключение, если происходит потеря соединения с какими-либо коммутаторами или сегментами сети.

Роли портов MSTI определяют роли каждого порта коммутатора, участвующего в построении активной топологии MSTI внутри границы региона.
Корневой порт (Root Port) — это порт, который обладает минимальной стоимостью пути от коммутатора до регионального корневого моста MSTI (в случае если мост не является региональным корнем для этой MSTI).
Назначенный порт (Designated Port) — это порт, обладающий наимень­шей стоимостью пути от подключенного сегмента сети до регионального корневого моста MSTI.
Альтернативный/резервный порт (Alternate/Backup Port) — это порт, ко­торый обеспечивает подключение, если происходит потеря соединения с какими-либо коммутаторами или сегментами сети.
Мастер-порт (Master Port) — это порт, который обеспечивает подклю­чение региона к корневому мосту CIST, находящемуся за пределами дан­ного региона. Корневой порт CIST регионального корневого моста CIST является мастером-портом для всех MSTI.
Протокол MSTP вводит еще одну роль, которая может быть присво­ена порту, — пограничный порт (Boundary Port). Пограничным портом яв­ляется порт, который подключает MST-регион к другому региону или SST-мосту.

Роли портов

Пример топологии MSTP

Сеть разбита на 3 MST-региона, в каждом регионе все коммутаторы ассоциированы с Instance 0.
Коммутатор 1 (SW-1) выбран в качестве корневого моста CIST, т.к. он обладает наименьшим среди всех коммутаторов сети значени­ем идентификатора моста.
Коммутаторы 1, 2 и 3 (SW-1, SW-2, SW-3) находятся в одном MST- регионе с номером 1, т.к. обладают одинаковым идентификатором MST-конфигурации. Коммутаторы 2 и 3 находятся в одном регио­не с корневым мостом CIST (коммутатор 1), поэтому их внешняя стоимость пути равна 0 и их региональный мост CIST совпадает с корневым мостом CIST.
Коммутаторы 4-10 (SW-4-SW-10) принадлежат одному региону, т.к. имеют одинаковые идентификаторы MST-конфигурации. Коммутатор 4 (SW-4) является региональным корневым мостом CIST для MST-региона 2, т.к. обладает наименьшей внешней сто­имостью пути к CIST Root.
Коммутаторы 11, 12 и 13 (SW-11-SW-13) принадлежат к MST- региону 3, т.к. обладают одинаковыми идентификаторами MST- конфигурации. Коммутатор 11 (SW-11) выбран в качестве регио­нального корневого моста CIST для MST-региона 3, т.к. обладает наименьшей внешней стоимостью пути к CIST Root.

Состояние портов MSTP
В протоколе MSTP определены состояния, в которых могут находиться порты, аналогичные протоколу RSTP:
Learning («Обучение») — порт может принимать/отправлять кадры BPDU, изучать МАС-адреса и строить таблицу коммутации. Порт в этом состоянии не передает пользовательские кадры;
Forwarding («Продвижение») — в этом состоянии порт может пере­давать пользовательские кадры, изучать новые МАС-адреса и принимать/отправлять кадры BPDU;
Discarding («Отбрасывание») — в этом состоянии порт может толь­ко принимать кадры BPDU, передача пользовательского трафика и изучение МАС-адресов не выполняется.

4.5. Функции безопасности STP
Из-за ошибок в конфигурации или вредоносных атак в сети может возникнуть ситуация, когда корневой мост получит кадр BPDU, содержащий лучший приоритет, и потеряет свою позицию. При настройке протоколов RSTP или MSTP на управляемых коммутаторах, расположенных на границе сети, с помощью параметра restricted_role можно ограничить роли выполняемые портом в активной топологии. При активизации этого параметра порт не будет выбран в качестве корневого порта даже в том случае, если получит BPDU с наилучшим приоритетом. После выбора корневого порта этот порт будет выбран в качестве альтернативного. По умолчанию функция restricted_role отключена.
Настройка коммутатора
enable stp
config stp version rstp
config stp priority 32768 instance_id 0
config stp ports 1-24 edge true restricted_role true
restricted_tcn true state enable
config stp ports 25-28 edge false state enable fbpdu enable

4.6. Агрегирование каналов связи
Агрегирование каналов связи (Link Aggregation) — это объединение нескольких физических портов в одну логическую магистраль на канальном уровне модели OSI с целью образования высокоскоростного канала передачи данных и повышения отказоустойчивости
В отличие от протокола STP, все избыточные связи в одном агреги­рованном канале остаются в рабочем состоянии, а имеющийся трафик распределяется между ними для достижения балансировки нагрузки. При отказе одной из линий, входящих в такой логический канал, трафик рас­пределяется между оставшимися линиями.
Включенные в агрегированный канал порты называются членами группы агрегирования (Link Aggregation Group).
Внимание: количество портов в группе зависит от модели коммутатора. В управляемых коммутаторах в группу можно объединить до 8 портов.

Пример агрегированного канала связи между коммутаторами

Один из портов в группе выступает в качестве мастера-порта (master port). Так как все порты агрегированной группы должны работать в одном режиме, конфигурация мастера-порта распространяется на все порты в группе. Таким образом, при конфигурировании портов в группе агрегирования достаточно настроить мастер-порт.
Важным моментом при реализации объединения портов в агрегированный канал является распределение трафика по ним. Если пакеты одного сеанса будут передаваться по разным портам агрегированного канала, то может возникнуть проблема на более высоком уровне модели OSI.
Например, если два или более смежных кадров одного сеанса станут передаваться через разные порты агрегированного канала, то из-за неодинаковой длины очередей в их буферах может возникнуть ситуация, когда из-за неравномерной задержки передачи кадра более поздний кадр обгонит своего предшественника. Поэтому в большинстве реализаций механизмов агрегирования используются методы статического, а не динами­ческого распределения кадров по портам, т.е. закрепление за определен­ным портом агрегированного канала потока кадров определенного сеанса между двумя узлами. В этом случае все кадры будут проходить через одну и ту же очередь и их последовательность не изменится. Обычно при статическом распределении выбор порта для конкретного сеанса выполняется на основе выбранного алгоритма агрегирования портов, т.е. на основании некоторых признаков поступающих пакетов.

В коммутаторах D-Link поддерживается 9 алгоритмов агрегирования портов:
mac_source — МАС-адрес источника;
mac_destination — МАС-адрес назначения;
mac_source_dest — МАС-адрес источника и назначения;
ip_source — IP-адрес источника;
ip_destination — IP-адрес назначения;
ip_source_dest — IP-адрес источника и назначения;
l4_src_port — TCP/UDP-порт источника;
l4_dest_port — TCP/UDP-порт назначения;
l4_src_dest_port — TCP/UDP-порт источника и назначения.
В коммутаторах D-Link по умолчанию используется алгоритм mac_source (МАС-адрес источника)

Распределение потоков данных по каналам агрегированной линии связи для алгоритма mac_source_dest

Объединение каналов следует рассматривать как вариант настройки сети, используемый преимущественно для соединений «коммутатор – коммутатор» или «коммутатор – файл-сервер», требующих более высо­кой скорости передачи, чем может обеспечить одиночная линия связи. Также эту функцию можно применять для повышения надежности важных каналов связи. В случае повреждения линии связи объединенный канал быстро перенастраивается (не более чем за 1 сек.), а риск дублирова­ния и изменения порядка кадров незначителен.
Программное обеспечение коммутаторов D-Link поддерживает два типа агрегирования каналов связи:
статическое;
динамическое, на основе стандарта IEEE 802.3ad (LACP).

При статическом агрегировании каналов (установлено по умолча­нию), все настройки на коммутаторах выполняются вручную, и они не допускают динамических изменений в агрегированной группе.
Для организации динамического агрегирования каналов между коммутаторами и другими сетевыми устройствами используется про­токол управления агрегированным каналом — Link Aggregation Control Protocol (LACP).
Протокол LACP определяет метод управления объе­динением нескольких физических портов в одну логическую группу и предоставляет сетевым устройствам возможность автосогласования каналов (их добавления или удаления) путем отправки управляющих кадров протокола LACP непосредственно подключенным устройст­вам с поддержкой LACP. Пакеты LACP отправляются устройством че­рез все порты, на которых активизирован протокол. Порты, на кото­рых активизирован протокол LACP, могут быть настроены для работы в одном из двух режимов: активном (active) или пассивном (passive).
При работе в активном режиме порты выполняют обработку и рас­сылку управляющих кадров протокола LACP.
При работе в пассивном режиме порты выполняют только обработку управляющих кадров LACP.

Для того чтобы динамический канал обладал функцией автосогла­сования, рекомендуется порты, входящие в агрегированную группу, с одной стороны канала настраивать как активные, а с другой — как пас­сивные.
Следует отметить, что у портов, объединяемых в агрегированный ка­нал, нижеперечисленные характеристики должны обладать одинаковыми настройками:
тип среды передачи;
скорость;
режим работы — полный дуплекс;
метод управления потоком (Flow Control) .
При объединении портов в агрегированный канал на них не должны быть настроены функции аутентификации 802.1Х, зеркалирования трафика и блокировки портов.

Настройка статических агрегированных каналов (для повышения пропускной способности канала связи между коммутатором 1, к которому подключен сервер, и коммутатором 2, к которому подключены пользова­тели, требуется объединить порты коммутаторов в статический агрегированный канал)

Настройка коммутаторов
Настройка коммутатора 1
Создать группу агрегирования (тип канала Static) и задать алгоритм агрегирования.
create link_aggregation group_id 1 type static
config link_aggregation algorithm mac_destination
Включить порты 21, 22, 23, 24 в группу и выбрать порт 21 в качестве мастера-порта.
config link_aggregation group_id 1 master_port 21 ports
21, 22, 23, 24 state enabled
Настройка коммутатора 2
Создать группу агрегирования и задать алгоритм агрегирования.
create link_aggregation group_id 1 type static
config link_aggregation algorithm mac_source
Включить порты 21, 22, 23, 24 в группу и выбрать порт 21 в качестве мастера-порта.
config link_aggregation group_id 1 master_port 21 ports
21, 22, 23, 24 state enabled

Настройка динамических агрегированных каналов (тип канала LACP)

Настройка коммутатора 1
Создать группы агрегирования (тип канала LACP) и задать алгоритм агрегирования.
create link_aggregation group_id 1 type lacp
create link_aggregation group_id 2 type lacp
config link_aggregation algorithm mac_destination
Включить порты 1, 2, 3, 4 в группу 1 и выбрать порт 1 в качестве мастера-порта.
config link_aggregation group_id 1 master_port 1 ports 1-4 state
enabled
Включить порты 5, 6, 7, 8 в группу 2 и выбрать порт 5 в качестве мастера-порта.
config link_aggregation group_id 2 master_port 5 port 5-8 state
enabled
Настроить для портов 1-8 активный режим работы.
config lacp_port 1-8 mode active