STP

англ. Spanning Tree Protocol (STP) (протокол cоставного дерева) в сетевой протокол. Основной задачей STP является устранение петель в топологии произвольной сети Ethernet, в которой есть один или более сетевых мостов, связанных избыточными соединениями. STP решает эту задачу, автоматически блокируя соединения, которые в данный момент для полной связности коммутаторов являются избыточными. Наличие топологических петель в реальной сети Ethernet с коммутатором неизбежно приводит к бесконечным повторам передачи одних и тех же кадров Ethernet одним и более коммутатором, отчего пропускная способность сети оказывается почти полностью занятой этими бесполезными повторами; в этих условиях, хотя формально сеть может продолжать работать, на практике её производительность становится настолько низкой, что может рассматриваться как полный отказ сети.

STP относится ко второму уровню модели OSI. Протокол описан в стандарте IEEE 802.1d. STP основан на одноимённом алгоритме, который разработала Радья Перлман (англ. Radia Perlman).

Принцип действия

1. В сети выбирается один корневой мост (англ. Root Bridge).
2. Далее каждый, отличный от корневого, мост просчитывает кратчайший путь к корневому. Соответствующий порт называется корневым портом (англ. Root Port). У любого не корневого коммутатора может быть только один корневой порт.
3. После этого для каждого сегмента сети, к которому присоединён более чем один порт моста, просчитывается кратчайший путь к корневому порту. Мост, через который проходит этот путь, становится назначенным для этой сети (англ. Designated Bridge), а соответствующий порт в назначенным портом (англ. Designated port).
4. Далее во всех сегментах, с которыми соединены более одного порта моста, все мосты блокируют все порты, не являющиеся корневыми и назначенными. В итоге получается древовидная структура (математический граф) с вершиной в виде корневого коммутатора.

Основные понятия

• Bridge ID = Bridge priority + MAC;
• Bridge priority = vlan xxx + 32768 (default cost);
• Cost в «стоимость портов»;
• Pathcost в стоимость линка в STP;
• Hello BPDU = root ID + bridge ID + cost;
• Root port (корневой порт) в это порт, который имеет минимальную стоимость до любого порта корневого коммутатора.
• Designated port (назначенный порт) в это порт, который имеет кратчайшее расстояние от назначенного коммутатора до корневого коммутатора.

Скорость передачи и стоимость пути

Таблица внизу показывает стоимость интерфейса в зависимости от скорости передачи.

Скорость передачи	Стоимость (802.1D-1998)	Стоимость (802.1W-2001)
4 Мбит/с	250	5000000
10 Мбит/с	100	2000000
16 Мбит/с	62	1250000
100 Мбит/с	19	200000
1 Гбит/с	4	20000
2 Гбит/с	3	10000
10 Гбит/с	2	2000

Важные правила

1. Корневым (root) коммутатором назначается коммутатор с самым низким Bridge ID (BID)
2. Возможны случаи, когда приоритет у двух и более коммутаторов будет одинаков, тогда выбор корневого коммутатора (root) будет происходить на основании MAC-адреса коммутатора, где корневым (root) коммутатором станет коммутатор с наименьшим MAC-адресом.
3. Коммутаторы, по умолчанию, не измеряют состояние сети, а имеют заранее прописанные настройки.
4. Каждый порт имеет свою стоимость (cost) соединения, установленную либо на заводе-изготовителе (по умолчанию), либо вручную.

Алгоритм действия STP (Spanning Tree Protocol)

• После включения коммутаторов в сеть, по умолчанию каждый коммутатор считает себя корневым (root).
• Каждый коммутатор начинает посылать по всем портам конфигурационные Hello BPDU пакеты раз в 2 секунды.
• Если мост получает BPDU с идентификатором моста лучшим, чем свой собственный, он прекращает генерировать свои BPDU и начинает ретранслировать BPDU с лучшим идентификатором. Таким образом в конце концов в этой сети Ethernet остаётся только один мост, который продолжает генерировать и передавать собственные BPDU. Он и становится корневым мостом.
• Остальные мосты ретранслируют BPDU корневого моста, добавляя в них информацию о стоимости пути и собственный идентификатор.
• Для каждого сегмента сети, к которому присоединены два и более портов мостов, происходит определение designated port в порта, через который кадры Ethernet, приходящие от корневого моста, попадают в этот сегмент.
• После этого все порты в сегментах, к которым присоединены 2 и более портов моста, блокируются за исключением root port и designated port.
• Корневой мост продолжает посыать свои Hello BPDU раз в 2 секунды.

Порты

• Root Port
• Designated Port
• Non-designated Port
• Disabled Port

Эволюция и расширения

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)

Rapid STP (RSTP) характеризуется значительными усовершенствованиями STP, среди которых необходимо отметить уменьшение времени сходимости и более высокую устойчивость. Описан в стандарте IEEE 802.1w (впоследствии включен в 802.1D-2004).

Per-VLAN Spanning Tree Protocol (PVSTP)

Per-VLAN STP (PVSTP) в соответствии с названием расширяет функционал STP для использования VLAN. В рамках данного протокола в каждом VLAN работает отдельный экземпляр STP. Является проприетарным расширением Cisco, впоследствии стал с незначительными ограничениями поддерживаться другими производителями (Juniper, Extreme Networks). Изначально протокол PVST работал только через ISL-транки, потом было разработано расширение PVST+, которое позволяло работать через гораздо более распространённые 802.1Q-транки. Существуют реализации, объединяющие свойства PVST+ и RSTP, поскольку эти расширения затрагивают независимые части протокола, в результате получается (в терминологии Cisco) rapid-pvst.

Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)

Multiple STP (MSTP) является наиболее современной стандартной реализацией STP, учитывающей все достоинства и недостатки предыдущих решений. Описана в стандарте IEEE 802.1s (впоследствии включен в 802.1Q-2003). В отличие от PVST+, в котором число экземпляров связующего дерева (spanning tree) равно числу виртуальных сетей, MSTP предполагает конфигурирование необходимого количества экземпляров вне зависимости от числа виртуальных сетей (VLAN) на коммутаторе. В один экземпляр MST могут входить несколько виртуальных сетей. Однако, все коммутаторы, участвующие в MST, должны иметь одинаково сконфигурированные группы VLAN (MST instances), что ограничивает гибкость при изменении конфигурации сети.

Shortest Path Bridging (SPB)

Shortest Path Bridging (SPB) IEEE 802.1aq преодолевает ограничения блокировки.

См. также

• IEEE 802.1
• Алгоритм связующего дерева в используется в протоколе STP для определения структуры сети.

Ссылки

• IEEE Std 802.1Dв„- 2004  (англ.)
• IEEE Std 802.1Qв„- 2005  (англ.)
• Understanding Spanning-Tree Protocol  (англ.)
• Введение в недокументированное применение протокола Spanning Tree
• PVST+ Explained в CCIE Blog  (англ.)
• Differences between PVST and PVST+  (англ.)