Дәріс. Негізгі ағаштың (STP) хаттасамы

Дәрістің мақсаты: STP алгоритмін меңгеру және STP мен RSTP хаттамаларының параметрлерін басқару.

Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1d).

Компьютер желісінің тұрақтық келіспеуінің жоғарлығына қолданылатын екінші әдіс, бұл - Spanning Tree Protocol. 1983 ж. бұрынырақ шығарылған болса да әлі де өзекті. Ethernet желісінде коммутаторлар тек бұрынғы байланысты қолдайды, олардың ілгіштері жоқ. Бұл дегеніміз, альтернативті арналар ұйымы үшін Ethernet қатысты базалықтың шегінен шығатын ерекше хаттамалар мен технологиялар қажет.

Spanning Tree (STA) алгоритмі порттардың өзара ерікті қосылуы кезінде коммутаторларға желіде ежелгі байланыс конфигурациясын автоматты анықтауға мүмкіндік береді.

STP хаттамасы бар коммутаторлар компьютерлік желіде ілгішсіз ежелгі байланыс конфигурациясын автоматты түрде жасайды. Осындай конфигурация жабылғыш ағаш – Spanning Tree деп аталады. Тіректі ағаш конфигурациясы коммутаторлармен автоматты түрде жұмыс дестесі айырбасының қолдануымен құрылады.

STP хаттамасының жұмысын толық қарастырайық. STА алгоритмі әр көпірге идентификатор қосылуын қажет етеді. Көпір идентификаторы – 8 байттық өріс. Ол екі бөліктен тұрады: 2-байттық администатормен берілген басымдылықтан және оның басқару блогы 6-байттық МАС-адрестен. Әр көпірге, көпір шамасындағы бірегей идентификатор беріледі, әдеттегідей бұл МАС-адрес. Әр көпір портына жергілікті желімен берілген порт арқылы кадр таралуы сапарының құны беріледі.

Байланыстыратын ағашты есептеу процесі ағаш құрылатын түптік көпірдің (root switch) таңдауынан басталады. Түптік көпір түрінде идентификатор мәні төмен коммутатор алынады. Кейде бұндай шешім рационалды болмауы мүмкін. Түптік көпір ретінде белгілі бір құрылғы таңдалуы үшін (желі құрылымынан шыға отырып) администратор сай келетін коммутаторға аз идентификаторды қолмен иелендіре отырып таңдау процесіне әсер бере алады.

STP жұмысының екінші кезеңі – желінің қалған әр коммутаторы үшін түптік порт (root port) таңдауы.

Коммутатордың түптік порты – желімен түптік коммутаторға дейін ең аз ара қашықтығы бар порт.

STP жұмысының үшінші қадамы – тағайындалған порттардың анықтамасы.

Коммутацияланатын желіде әр сегментінің бір тағайындалған порты (designated port) болады. Бұл порт көпірдің жалғыз порты ретінде жұмыс жасайды, яғни сегменттен дестелерді қабылдайды және оларды берілген коммутатордың түптік порты арқылы түптік көпірдің бағытына таратады. Берілген сегментке тағайындалған порты бар коммутатор осы сегменттің тағайындалған көпір (designated bridge) деп аталады. Тағайындалған сегмент порты берілген сегментке қосылған барлық порт ішіндегі тіптік көпірге дейін ең аз арақашықтықты алады. Тағайындалған порт сегментте жалғыз болуы мүмкін. Түптік көпірде барлық порт тағайындалған болып саналады, ал олардың түптеріне дейінгі арақашықтығы нөлге тең болады. Түптік көпірде түптік порт болмайды.

Тіректі ағаштың құрылымы кезінде аза маңызды ұғым болып арақашықтық саналады. Сондықтан талап ретінде әр коммутаторды түптік коммутатормен жалғастыратын және желінің әр сегменттін түптік коммутатормен жалғастыратын жалғыз порт алынады. Қалған барлық порттар резервтік жағдайға аударылады, яғни бұл жағдайда олар қарапайым берілген кадрларды тасымалдамайды. Желіде осындай белсенді порттарды таңдалуында ілгіштер шығарылады және қалған байланысты тіректі ағаш жасайды.

STA-дағы ара қашықтық ретінде жол бағасы (Path Cost) қолданылады – ол берілген коммутаторды портынан түптік коммутатор портына мәліметтер тасымалына қосынды шартты уақыт ретінде анықталады. Сегметтің шартты уақыты ақпараттың бір битін тасымалдау уақыты ретінде есептелінеді және 10-наносекундтық бірлікпен өлшенеді. Ethernet-тің сегменті 10 Мбит/с үшін шартты уақыты 10 шартты бірлікке тең.

Байланыстыратын ағаштың есептелуі коммутаторды қосқанда және топология өзгерген кезде өтеді. Бұл есептеулер байланыстыратын ағаштың коммутаторлары арасында ақпаратты периодикалық айырбасын қажет етеді, олар берілген көпір хаттамаларының блогы - BPDU (Bridge Protocol Data Unit) деп аталатын арнайы дестелер арқылы жетеді.

BPDU дестелерінде ілгішсіз желі топологиясын құруға арналған негізгі ақпарат бар:

– түптік коммутатор таңдалатын коммутатор идентификаторы;

– шығыс коммутатордан түптік коммутаторға дейінгі ара қашықтық (түптік маршрут бағасы);

– порт идентификаторы.

BPDU дестелері арна деңгейіндегі берілген кадрлардың өрісіне орналасады, мысалы, Ethernet кадры. Коммутаторлар BPDU-мен уақыттың тең интервалы арқылы алмасады (әдетте 1-4с). Көпірдің қабыл алмауы кезінде (ол топология өзгерісіне алып келеді) көрші коммутаторлар BPDU алмай жатып байланыстырушы ағашты қайта есептей бастайды.

BPDU дестелерінде келесі өрістер бар:

- STA - 2 байт хаттама түрлі идентификатор. Коммутаторлар STA хаттамасының бір түрін ұстап тұру керек, әйтпесе ілгіштермен белсенді конфигурация орналуы мүмкін;

- BPDU - 1 байт түрі. BPDU-ның екі түрі бар – конфигурациялық BPDU, яғни негізінде белсенді конфигурацияның анықтамасы жатқан түптік коммутатор болуға мүмкіндік беретін тапсырыс және реконфигурация туралы BPDU екертуі, ол оқиғаны тапқан, қайта құруды өткізгенді талап ететін - байланыс желісінің қабыл алмауы, порт қабыл алмауы, коммутатор не порттың басымдылығының өзгерісі - коммутатормен жіберіледі;

- 1 байт - флаг. Бір битта конфигурация өзгерісінің жалауы бар, екінші битта конфигурация өзгерісінің растау жалауы бар;

- түптік коммутатор идентификаторы - 8 байт;

- түпке дейінгі арақашықтық - 2 байт;

- коммутатор идентификаторы - 8 байт;

- порт идентификаторы - 2 байт;

- хабардың желіде болу уақыты - 2 байт. Бірлікте 0.5 с-пен өзгереді, ескірген хабарды шығаруға қызмет етеді. BPDU дестесі коммутатормен өткен кезде ол дестенің желіде болу уақытына берілген коммутатормен кеткен уақытын қосады;

- хабардың желіде болуының максималды уақыты - 2 байт. Егер BPDU дестесінің желіде болу уақыты максималды уақыттан асатын болса, онда оны коммутатор елемейді;

- BPDU дестелері жіберілетін hello (қарсы алу уақыты) интервалы;

- жағдай ауыстыруының бөгеті - 2 байт. Белсенді кездегі коммутаторлар порттары өтуінің минималды уақыты. Бұндай бөгет қайта құру уақытындағы порт жағдайының бірқалыпсыз ауысуы кезінде альтернативті маршруттардың уақытша пайда болуын жоюға керек.

BPDU дестесінде реконфигурация туралы ескертунде екі алғашқысынан басқа барлық өріс болмайды.

Порт жұмысының жағдайы. STP коммутатор порттарының бес түрлі жұмыс режимін қарастырады:

- Blocking – Коммутаторды белгілеген кезде барлық порттар (өшірілгендерінен басқа) автоматты түрде “Блокталған” режиміне ауысады. Бұл кезде порт тек BPDU дестелерін негіздейді, қабылдайды, қорытады, қайта трансляциялайды. Қалған дестелер таратылмайды.

- Listening – STA алгоритмі жұмыстың бастапқы уақытында коммутатор порттары “Тыңдау” жағдайына өтеді. Бұл кезде BPDU дестелері басқа коммутаторлардан алынбаған және коммутатор өзін түптік деп есептейді, ал өзінің барлық порттарын – тағайындалған. Ол режимде порт жағдай ауысу таймерінің (Forwarding Timer) аяқталуына дейін болуы мүмкін. Таймер көмегі арқылы өтетін интервал 4 тен 30 с-ға дейін өзгере алады және ол желідегі бүкіл коммутатордан BPDU алу үшін қажет. Бұл режимде порт BPDU дестелерін негіздеу, қабылдау, қорыту, қайта трансляциялауды жалғастыра береді. Егер осы уақыт арасында порт BPDU-ны өзінікінен (ара қашықтық, коммутатор не порт идентификаторы) жақсы параметрлерімен алса, онда ол “Блокталған” режиміне ауысады. Кері жағдайда порт “Оқу” режиміне ауысады.

- Learning – Оқу – порт дестелерді қабылдай бастайды және шығыс адресінің негізінде коммутация кестесін құрайды. Порт бұл жағдайда әлі де дестелерді жылжытпайды. Порт STA алгоритм жұмысына қатысуда жалғастырады және BPDU жақсы параметрлерімен келген кезде Blocking “Блокталған” жағдайға ауысада.

- Forwarding – Жылжу – тек таймермен екіреттік ұстамнан кейін порт Жылжу жағдайына ауысады және құрастырылған кестемен жағдайда берілгендер дестесін өңдейді.

- Disable – ­Өшірілген – бұл жағдайға портты администратор ауыстырады. Өшірілген порт STP протокол жұмысында да, берілгендер дестесінің жылжуында да қатыспайды. Портты сол сияқты қолмен қосуға да болады және ол алдымен Blocking жағдайына ауысады.

IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) хаттамасы 802.1d STP стандартының дамуы болып саналады. Ол STP коммутаторладың кейбір жаңа функцияларын қосқанға кедергі болған бөлек шектеулерін билеу үшін арналған, мысалы, мысалы, 3-деңгейлі функция Ethernet коммутаторларында барған сайын көбірек қолданылады.

STP 802.1d және RSTP 802.1w хаттамасының маңызды айырмашылығы болып порттардың жылжу жағдайына өту амалы және сол ауысу топологияда порт роліне әсері табылады. RSTP Disabled, Blocking және Listening, STP-да қолданылатын жағдайларын біріктіреді және порт белсенді емес кезіндегі жалғыз жағдайды Discarding (Отбрасыва ние) жасайды.

MSTP ( Multiple Spanning Tree) хаттамасы 802.1D STP және 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) хаттамаларымен қайта қосыла алады және әртүрлі VLAN-да STP бірнеше тәуілсіз “ағаштар” күйіне келтіре алады – администратор топтай алады және VLAN-ды бөлек “жалғастырушы ағашқа” (spanning tree) тағайындай алады. Әрбір осындай “ағаштың” басқа “ағаштардан” тәуелсіз өзінің топологиясы бола алады. MSTP арқасында әкімшілік тапсырмасы мен үлкен желілірді басқару жеңілдейді: мәлімет тарататын резервті маршрутизаторлады бірнеше VLAN-ды және алынған желі сагментінде тәуелсіз “ағаштарды” жөндеу арқылы қолдануға болады:

– IEEE 802.1s стандарты;

– MSTP 802.1q VLAN желісінде бірден коп STP көшірмесін қолдануға мүмкіндік береді. Ол бір VLAN-ды бір STP көшірмесімен байланысыра алады, ал басқасын коммутаторлар арасында бірнеше байланыс бере отырып басқасымен;

– сол сияқты MSTP жүктемені таратуға мүмкіндік береді;

– MSTP әр көшірмесі (жабатын ағаш) сол сияқты желіде одан да тез қолайлық үшін RSTP хаттамасын қолданады.