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).

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:

• идентификатор отправителя (Bridge ID)

• идентификатор корневого свича (Root Bridge ID)

• идентификатор порта, из которого отправлен данный пакет (Port ID)

• стоимость маршрута до корневого свича (Root Path Cost)

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.

Такой подход таит в себе довольно серьезную проблему. Дело в том, что, при равных значениях Priority (а они равные, если не менять ничего) корневым выбирается самый старый свич, так как мак адреса прописываются на производстве последовательно, соответственно, чем мак меньше, тем устройство старше (естественно, если у нас все оборудование одного вендора). Понятное дело, это ведет к падению производительности сети, так как старое устройство, как правило, имеет худшие характеристики. Подобное поведение протокола следует пресекать, выставляя значение приоритета на желаемом корневом свиче вручную, об этом в практической части.

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:

1. Корневой свич посылает BPDU с полем Root Path Cost, равным нулю

2. Ближайший свич смотрит на скорость своего порта, куда BPDU пришел, и добавляет стоимость согласно таблице

   Скорость порта	Стоимость STP (802.1d)
   10 Mbps	100
   100 Mbps	19
   1 Gbps	4
   10 Gbps	2

3. Далее этот второй свич посылает этот BPDU нижестоящим коммутаторам, но уже с новым значением Root Path Cost, и далее по цепочке вниз

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.

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:

• блокировка (blocking): блокированный порт не шлет ничего. Это состояние предназначено, как говорилось выше, для предотвращения петель в сети. Блокированный порт, тем не менее, слушает BPDU (чтобы быть в курсе событий, это позволяет ему, когда надо, разблокироваться и начать работать)

• прослушивание (listening): порт слушает и начинает сам отправлять BPDU, кадры с данными не отправляет.

• обучение (learning): порт слушает и отправляет BPDU, а также вносит изменения в CAM- таблицу, но данные не перенаправляет.

• перенаправление\пересылка (forwarding): этот может все: и посылает\принимает BPDU, и с данными оперирует, и участвует в поддержании таблицы mac-адресов. То есть это обычное состояние рабочего порта.

• отключен (disabled): состояние administratively down, отключен командой shutdown. Понятное дело, ничего делать не может вообще, пока вручную не включат.

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.

RSTP

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).

MSTP

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.