Введение

Сетевой протокол, который создает безцикловую логическую топологию для сетей Ethernet.

Протокол многократного остовного дерева (MSTP) и соответствующий алгоритм обеспечивают как простое, так и полное соединение, назначенное любой виртуальной локальной сети (VLAN) в пределах коммутируемой локальной сети. MSTP использует протокольные пакеты моста (BPDU) для обмена информацией между устройствами, поддерживающими протокол остовного дерева, чтобы предотвратить образование циклов в каждом экземпляре многократного остовного дерева (MSTI), а также в общем остовном дереве (CIST), путем выбора активных и заблокированных путей. Это достигается аналогично протоколу остовного дерева (STP), но без необходимости ручной активации резервных каналов и устранения риска возникновения петель коммутации. Более того, MSTP позволяет кадрам/пакетам, относящимся к разным VLAN, следовать по отдельным путям, каждый из которых основан на независимом MSTI, в пределах MST-областей, состоящих из локальных сетей (LAN) и MST-мостов. Эти области, а также другие мосты и LAN соединены в единое общее остовное дерево (CST).

История и мотивация

Первоначально он был определен в IEEE 802.1s как поправка к 802.1Q, редакция 1998 года, а затем включен в стандарт IEEE 802.1Q 2005 года, чётко определяя расширение или эволюцию протокола Spanning Tree Protocol (STP) и протокола Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) Радии Перлман. Он имеет некоторое сходство с протоколом Multiple Instances Spanning Tree Protocol (MISTP) компании Cisco Systems, но существуют и различия. Исходные STP и RSTP работают на уровне физических каналов, предотвращая образование петель в сети при наличии резервных путей. Однако, когда локальная сеть виртуализируется с использованием VLAN-транкинга, каждый физический канал представляет собой несколько логических соединений. Блокировка физического канала блокирует все его логические каналы и направляет весь трафик через оставшиеся физические каналы в пределах дерева распространения. Резервные каналы не могут быть использованы вообще. Более того, без тщательного проектирования сети, физически избыточные каналы могут использоваться для соединения различных VLAN, и блокировка любого из них может привести к отключению одной или нескольких VLAN, создавая неоптимальные маршруты. Вместо этого MSTP обеспечивает потенциально более эффективное использование альтернативных путей, позволяя использовать альтернативные деревья распространения для различных VLAN или групп VLAN.

Инстанции многократного распределительного дерева (MSTI)

Поскольку MSTP позволяет группировать и сопоставлять VLAN различным экземплярам расширяющего дерева, возникает необходимость определить группу или набор VLAN, использующих одно и то же расширяющее дерево – это и есть MSTI. Каждый экземпляр определяет единую топологию пересылки для эксклюзивного набора VLAN, в то время как сети STP или RSTP содержат только один экземпляр расширяющего дерева для всей сети, включающий все VLAN. Регион может включать:

Внутренний экземпляр расширяющего дерева (IST): Экземпляр расширяющего дерева по умолчанию в любом регионе MST. Все VLAN в этом экземпляре IST соответствуют единой топологии расширяющего дерева, обеспечивая только один путь пересылки между любыми двумя узлами. Он также предоставляет корневой коммутатор для любых коммутаторов, настроенных для VLAN, которые не назначены конкретному MSTI.

Множественный экземпляр расширяющего дерева (MSTI): В отличие от IST, этот тип экземпляра включает в себя все статические VLAN, специально назначенные ему, и должен включать как минимум один VLAN. Хотя каждый MSTI может содержать несколько VLAN, каждый VLAN может быть связан только с одним MSTI.

Единица данных мостового протокола MSTP (BPDU)

Его основная функция заключается в том, чтобы MSTP мог выбирать корневые мосты для соответствующего CIST и каждой MSTI. MSTP включает всю информацию о spanning tree в едином формате BPDU. Это не только сокращает количество BPDU, необходимых в локальной сети для обмена информацией о spanning tree для каждой VLAN, но и обеспечивает обратную совместимость с RSTP (и, следовательно, с классическим STP). Общий формат BPDU состоит из общей части, занимающей октеты 1–36, которая основана на определенной в стандарте IEEE 802.1D, 2004, за которой следуют компоненты, специфичные для CIST, занимающие октеты 37–102. К этому блоку данных BPDU добавляются компоненты, специфичные для каждой MSTI. Информация из таблиц BPDU и STP BPDU предоставляет более подробное описание формата MSTP BPDU, а также дополнительную информацию о структуре этого объекта в более ранних или различных версиях протокола, таких как STP и RSTP, сохраняя при этом совместимость.

Протокол Операция

MSTP конфигурирует для каждой VLAN единственную активную топологию расширяющегося дерева таким образом, чтобы между любыми двумя конечными станциями существовал как минимум один маршрут передачи данных, исключая петли. Он определяет различные "объекты", необходимые для корректной работы алгоритма. Мосты в различных VLAN начинают обмениваться информацией о своей конфигурации с другими мостами, используя идентификатор конфигурации MST, для распределения кадров с указанными VID (VLAN ID) по различным MSTI. Для построения CIST используется вектор приоритетов, который объединяет все мосты и локальные сети в Bridged LAN и гарантирует, что пути внутри каждого региона всегда предпочтительнее путей за его пределами. Кроме того, существует вектор приоритетов MSTI, содержащий информацию, необходимую для создания детерминированной и независимо управляемой активной топологии для каждого MSTI в пределах региона. Сравнения и вычисления, выполняемые каждым мостом, позволяют выбрать вектор приоритетов CIST для каждого порта (на основе векторов приоритетов, идентификаторов конфигурации MST и инкрементной стоимости пути, связанной с каждым принимающим портом). Это приводит к выбору одного моста в качестве корневого моста CIST для Bridged LAN; затем для каждого моста и локальной сети определяется минимальный по стоимости путь к корню (что предотвращает образование петель и обеспечивает полную связность между VLAN). Впоследствии, в каждом регионе мост, минимальный по стоимости путь которого к корню не проходит через другой мост с тем же MST Conf. ID, идентифицируется как региональный корень CIST данного региона. И наоборот, каждый мост, минимальный по стоимости путь которого к корню проходит через мост, использующий тот же идентификатор конфигурации MST, идентифицируется как находящийся в том же регионе MST, что и этот мост. В целом, MSTP кодирует дополнительную информацию о регионе и конфигурации в своих BPDU, и каждое такое сообщение передает информацию о расширяющемся дереве для каждого экземпляра. Каждому экземпляру может быть назначено несколько настроенных VLAN, и кадры (пакеты), назначенные этим VLAN, работают в этом экземпляре расширяющегося дерева, находясь внутри региона MST. Чтобы избежать передачи полной таблицы соответствия VLAN и экземпляров в каждом BPDU, мосты кодируют MD5-хеш своей таблицы соответствия VLAN и экземпляров в BPDU MSTP. Этот хеш используется другими мостами MSTP вместе с другими административно настроенными значениями для определения, находится ли соседний мост в том же регионе MST.

Общие внутренние порты для прокладки дерева

Корень: обеспечивает путь с минимальной стоимостью от моста к корню CIST через региональный корень. Назначенный: обеспечивает путь с наименьшей стоимостью от подключенной локальной сети через мост к корню CIST. Альтернативный или резервный: обеспечивает подключение в случае отказа или удаления других мостов, портов мостов или локальных сетей.

Порты множественных экземпляров Spanning Tree

Корень: обеспечивает путь наименьшей стоимости от моста к региональному корню MSTI. Определённый: обеспечивает путь наименьшей стоимости от подключенных LAN через мост к региональному корню. Master: обеспечивает связь из региона с корнем CIST, находящимся за пределами региона. Мостовой порт, являющийся корневым портом CIST для регионального корня CIST, является главным портом для всех MSTI. Альтернативный или резервный: обеспечивает подключение в случае отказа или удаления других мостов, портов мостов или LAN.

Совместимость RSTP

MSTP разработан для обеспечения совместимости и взаимодействия с протоколами STP и RSTP без применения дополнительных методов операционного управления. Это достигается за счет набора измерений, основанных на RSTP (раздел 17 стандарта IEEE Std 802.1D, редакция 2004 года), которые позволяют передавать фреймы, относящиеся к различным VLAN, по разным путям в пределах MST-областей. Оба протокола имеют общие проблемы, такие как: выбор корневого моста CIST (используется тот же базовый алгоритм, 17.3.1 стандарта IEEE Std 802.1D, редакция 2004 года, но с расширенными компонентами приоритетного вектора в пределах MST-областей), выбор корневого моста MSTI и вычисление ролей портов для каждого MSTI. Роли портов, используемые CIST, аналогичны ролям, используемым STP и RSTP (за исключением порта Master), а также общие переменные состояния, связанные с каждым портом. Кроме того, они имеют общие недостатки, например, MSTP не может предотвратить временные петли, возникающие при соединении двух сегментов локальной сети устройствами, отличными от мостов, которые работают невидимо для поддержки внутреннего подслоя MAC мостов. Исходя из вышесказанного, можно заключить, что MSTP полностью совместим с мостами RSTP: BPDU-сообщение MSTP может быть интерпретировано мостом RSTP как BPDU-сообщение RSTP. Это обеспечивает совместимость с мостами RSTP без изменения конфигурации, а также позволяет любым мостам RSTP, находящимся за пределами MSTP-области, видеть эту область как единый мост RSTP, независимо от количества мостов MSTP внутри области.

Конфигурация протокола

Этот раздел предназначен в основном для того, чтобы помочь пользователям правильно настроить сеть MSTP на устройствах Cisco.

Перед настройкой MSTP

Убедитесь, что VLAN настроены и связаны с портами коммутатора, после чего определите: области MSTP, уровень ревизии и экземпляры; к каким MSTI будут относиться VLAN и порты коммутатора и, наконец, какие устройства вы хотите назначить корневыми мостами для каждого MSTI.

Альтернативный протокол многократного распределительного дерева (AMSTP)

Первый набросок этого протокола был предложен в. AMSTP — это упрощенный экземпляр одного дерева, укорененный в каждом краевом мосту ядра для пересылки кадров.

Протокольная операция

Для настройки этих деревьев AMSTP опирается на одно базовое дерево, которое используется для получения экземпляров (называемых экземплярами альтернативного множественного дерева охвата – AMSTI), пока на каждом коммутаторе для сети не будет построен один из них. Процесс построения основного/базового дерева аналогичен процессу в RSTP. Вкратце, сначала необходимо выбрать корневой мост (это осуществляется путем периодической отправки BPDU от каждого коммутатора в сети через каждые "Hello Time", и выбора моста с наименьшим идентификатором моста). Затем каждый коммутатор вычисляет и определяет свою стоимость пути до корневого моста, после чего необходимо выбрать корневые порты, отдав предпочтение тому, который принимает BPDU с наименьшей стоимостью пути до корневого моста.

БПДУ

AMSTP BPDU используют те же адреса локальной многоадресной рассылки, что и STP, и имеют структуру, схожую с MSTP BPDU, поскольку обе состоят в основном из базового BPDU и нескольких AM Records, обеспечивая полную обратную совместимость со стандартными протоколами RSTP и STP. Каждая из AM Records содержит данные, необходимые для согласования конкретного экземпляра дерева (AMSTI). Каждый ABridge, за исключением выбранного корневого моста, создает AM Record для своих собственных экземпляров spanning tree. Они используются подключенными портами соседних коммутаторов для согласования переходов каждого экземпляра дерева посредством механизма предложения/подтверждения.

ОБРИЖКИ

Этот протокол, разработанный с акцентом на эффективность использования сети и длину пути, использует AMSTP – упрощенную и самоконфигурирующуюся версию протокола MSTP. Abridges можно описать как двухъярусную иерархию коммутаторов второго уровня, в которой сетевые острова, работающие с независимыми протоколами быстрого охватывающего дерева, взаимодействуют через ядро, образованное корневыми мостами островов (Abridges). Как уже отмечалось, протокол ориентирован на эффективность благодаря способности AMSTP обеспечивать оптимальные пути в основной сети и использованию RSTP для эффективной агрегации трафика в островных сетях. Скорость его сходимости сопоставима со скоростью RSTP и MSTP.

Архитектура

С целью улучшения характеристик протокола Abridges предлагается двухуровневая иерархическая инфраструктура канального уровня, в которой сегментация выполняется на канальном уровне. Ядро будет состоять преимущественно из Abridges (мостов, использующих реализацию AMSTP) и обеспечивать подключение к сетям доступа нижнего уровня, именуемым "слоем доступа". Кроме того, каждая из этих сетей доступа, также называемых "островами", будет являться подсетью второго уровня, использующей STP и подключенной к одному или нескольким Abridges.

Протокольная операция

Внутри каждой островной сети или сети доступа автоматически выбирается мост, который функционирует как корневой мост. Этот мост выполняет роль шлюза, обеспечивая пересылку кадров из ядра в островную сеть и обратно. Функции шлюза выполняет только один ABridge, хотя к сети может быть подключено множество таких мостов. Для связи между мостами 802.1D и между стандартными мостами 802.1D и ABridge не требуется соединений типа «точка-точка». ABridge, получивший ARP-кадр от хоста в островной сети, определяет, в какой островной сети находится пункт назначения, обратившись к ARP-серверу, где этот хост был ранее зарегистрирован своим островным ABridge. Этот сервер хранит соответствие IP-адресов и MAC-адресов, а также идентификатор островного ABridge. ARP-серверы распределяют нагрузку, основываясь на равном результате короткого хеширования обслуживаемых IP-адресов. Ядро сети самонастраивается, и эта работа прозрачна для всех хостов и стандартных коммутаторов в островных сетях.

Резолюция АРП и АБридж

Как и любой протокол второго уровня, ABridges использует ARP-запросы широковещательного типа для получения MAC-адреса, соответствующего IP-адресу в той же локальной сети или VLAN. Именно поэтому предотвращение переполнения сети является задачей первостепенной важности; для ограничения этого широковещательного трафика рекомендуется использовать распределенные ARP-серверы, хотя их использование не является обязательным.